基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案

0 引言

X 射線是由高能電子在物質中作減速運動或由原子內層軌道電子的躍遷產生的，所以穿透性很強，廣泛應用于射線檢測、介質識別等多個方面。在射線能量一定時，X射線輻射強度的衰減程度只與所穿過的介質有關，即X射線穿透不同介質時，透射的強度不同。所以，可以通過對探測到的X 射線強度分析從而進行介質設別的相關研究。

X 射線的探測是通過探測器接收到射線穿透物質后射線的強度來實現(xiàn)的，本文采用NaI(Tl)晶體與光電倍增管組成的閃爍探測器以用于X射線的探測，探測器輸出的脈沖信號幅度與透射的射線強度成正比，所以對脈沖信號幅度的分析也就為介質識別提供了重要的信息，本文選用高速DSP 芯片TMS320F2812 作為主控制器來完成脈沖信號幅度的分析與處理。

1 系統(tǒng)總體框架設計

閃爍探測器探測到的X射線強度一般比較微弱，需要經過放大、濾波、峰值保持等預處理后，再使用DSP對處理后的信號進行A/D 轉換、脈沖幅度分析、數(shù)據(jù)的存儲以及與上位機之間的通信，最終繪制出一條有關X射線強度的譜線圖。X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由5部分構成：前置放大電路、濾波電路、主放大電路、峰值保持電路、DSP主控電路，其總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)各組成部分的設計

2.1 前置放大電路的設計

前置放大電路是整個前級預處理電路設計的關鍵，在未屏蔽的條件下，透射的X射線一般處在變壓器電磁輻射、工頻干擾、背景輻射等背景噪聲中，要想從強大的背景噪聲中提取出攜帶識別介質信息的X射線強度，就需要整個X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的性能，而前置放大電路又是前級預處理電路前端重要的組成部分，所以本系統(tǒng)所設計的前置放大電如圖2所示。差分運算放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

圖2所設計的電路由3個基本運算放大器組成，其中運放A1、A2組成同相并聯(lián)輸入第一級放大，以提高放大器的輸入阻抗和增益，A3為差動放大，作為放大器的第二級。整個電路的共模抑制比取決于第一級放大電路中A1 和A2 的對稱程度，第二級放大電路的共模抑制比取決于差動運放A3 的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度。由圖2 可算出前置放大電路的輸出電壓為Uo當Ui1=Ui2 時，R2 中電流為零，故輸出電壓Uo=0.可見，電路放大差模信號，抑制共模信號。

2.2 濾波電路的設計

由于噪聲與信號同時放大，不利于后續(xù)放大電路的工作，所以信號在經過前置放大電路放大后需要進行濾波。為了保證X射線探測的精確性，可在前置放大電路之后設計由壓控電壓源二階高通濾波和二階低通濾波電路串聯(lián)組成的帶通濾波電路如圖3所示。

圖3即是所設計的帶通濾波電路，它由有源高通和有源低通濾波串聯(lián)組成，其帶寬范圍為100 kHz~1 MHz.高通和低通濾波的運算放大器選用具有高精度、低偏置、低功耗的雙運放芯片LM358.根據(jù)有源濾波電路的快速設計理論，可得到高低通濾波器的各個參數(shù)。

高通濾波器的帶內增益為1,截止頻率為100 kHz,高通濾波器的各個參數(shù)為：C1=C2=800 pF,R1=R2=20 kΩ;低通濾波器的帶內增益為1,截止頻率為1 MHz,低通濾波器的各個參數(shù)為：C3=C4=1 nF,R3=R4=160 Ω。

2.3 主放大電路的設計

經過前置放大和帶通濾波處理后的信號仍然比較微弱，其中最大的脈沖幅度約為400 mV且為負脈沖，由于后續(xù)ADC 電路的輸入范圍為0~3.3 V,因此脈沖信號在送入ADC 電路之前還需進一步放大，所設計的主放大電路如圖4所示。

由圖4所示，主放大電路采用具有低噪聲、寬帶寬、高精度的單運放芯片OP37組成電壓并聯(lián)負反饋電路，為使后端A/D轉換電路具有較為理想的輸入信號，主放大電路的電壓放大倍數(shù)設計為6~8 倍，因此圖中各個電阻的參數(shù)設計為：R1=25 kΩ，R3=30 kΩ，R4=200 kΩ，R2采用標稱阻值為10 kΩ的可調電位器。此外，為了避免電路中的毛刺使放大電路的輸出超過ADC的輸入電壓范圍，在主放大電路的輸出端設計了雙向限幅電路，當主放大電路的輸出高于UMax 時，二極管D1 導通，此時輸出電壓被限制在UMax;當主放大電路的輸出低于UMin時，二極管D2 導通;選擇合適的UMax 和UMin,可以把輸出電壓鉗制在0~3.3 V,滿足A/D轉換電路輸入電壓的范圍要求。

2.4 峰值保持電路的設計

經過主放大電路處理后的脈沖信號雖然幅度較為理想，但脈沖寬度仍然較小，最小脈寬只有1 ms.而A/D轉換需要一定的時間，要采到脈沖的尖峰需要對峰值電壓進行保持，同時向DSP 提出中斷請求信號，使DSP響應中斷并啟動A/D轉換，轉換結束后DSP使采樣保持器復原為采樣狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，本文設計的峰值保持電路如圖5所示。[!--empirenews.page--]

如圖5所示，U4是芯片LF398,它是美國半導體公司研制的集成采樣保持器。它只需外接一個保持電容就能完成采樣保持功能，其采樣保持控制端可直接接于TTL,CMOS 邏輯電平。U1 和U2 是高速電壓比較器LM311,U3 是上升沿觸發(fā)的雙D 觸發(fā)器，U5 是與門74LS08.經過主放大電路處理后的脈沖信號一路輸入到閾值比較器U1,另一路輸入到由比較器U2 組成的峰值檢測電路(R3C1組成延遲電路與U2反向輸入端輸入的脈沖信號進行比較，用于判斷脈沖信號的峰值是否到來)，還有一路輸入到采樣保持器LF398,而且LF398的輸出接到DSP內ADC模塊的ADCINA0引腳上。

當電壓脈沖信號幅度大于閾值電壓Vref(調試過程中設定Vref 為0.5 V,電壓低于0.5 V 的即可認為是噪聲而不予考慮)，比較器U1輸出高電平，產生上升沿，上升沿再觸發(fā)U3A,它的Q 端輸出高電平和峰值未來到時U3B的Qˉ 端相與得高電平，去控制LF398的采樣控制端進入采樣狀態(tài)。當脈沖信號到達峰值后，比較器U2 輸出高電平，得到上升沿，上升沿再觸發(fā)U3B,它的Qˉ 端輸出低電平，U5輸出低電平，LF398進入保持狀態(tài)。U3B的Qˉ 端輸出的下降沿作為DSP 捕獲單元CAP3 中斷的啟動信號，CAP3 發(fā)出信號去啟動ADC,當A/D 轉換結束后，DSP 的GPIO 口輸出一個低電平作為U3 的清零信號CLR,雙D 觸發(fā)器74LS74 清零后，LF398 的采樣控制端重新進入采樣狀態(tài)，準備保持下一個脈沖的峰值。

2.5 DSP程序流程的設計

A/D轉換和脈沖幅度分析的控制是整個X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，決定著能譜數(shù)據(jù)采集的精度和整套系統(tǒng)的性能。由于NaI探測器探測到X射線的脈沖寬度最小只有1 ms,一般單片機的指令周期為微秒級，所以無法滿足應用的需求。本文設計中選用了高速DSP芯片TMS320F2812,其時鐘頻率高達150 MHz,時鐘周期為6.67 ns,使得A/D轉換、對轉換結果按幅度分類、進行計數(shù)等一系列操作能夠在一個脈沖寬度的時間內完成;而且片內自帶ADC模塊是一個12位分辨率、具有流水線結構的模/數(shù)轉換器，共有16個采樣通道，最高采樣頻率為12.5 MSPS;該芯片最多可支持96個內部的外設中斷，其中一個中斷可用于啟動A/D轉換。

如圖5所示，當采樣保持器LF398由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)時，上升沿觸發(fā)器U3B的Qˉ 端輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩a生下降沿。當DSP事件管理器EV捕獲單元CAP3 捕獲到這個下降沿時，發(fā)出一個信號去啟動ADC 并進入A/D 中斷，此時高速的A/D 轉換器開始將采樣保持器LF398 保持的直流電平轉換為12位的數(shù)字信號，轉換的結果保存在ADC 模塊的結果寄存器中;同時，DSP 會根據(jù)此結果進行內部RAM 尋址，并且對相應的道址進行加1操作，隨后DSP通過通用輸入/輸出多路復用器GPIO產生一路低電平信號，此低電平信號輸入到U3的清零端，從而使LF398再次進入采樣狀態(tài)。在DSP 程序設計過程中預先設定好一定能譜數(shù)據(jù)采集的時間，等到規(guī)定的時間時，DSP將此次采集的能譜數(shù)據(jù)轉存至外部Flash 存儲器，并且清除存儲在內部RAM 的能譜數(shù)據(jù)，以便進行下一次的采集，本文DSP 處理的軟件流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)調試結果

當X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分硬件電路調試成功時，就需要配合NaI(Tl)探測器進行系統(tǒng)聯(lián)調。X 射線發(fā)生裝置通過給X光管加80 kV的高壓使之產生X射線，NaI(Tl)探測器探測到X射線后通過內部的光電倍增管產生電壓脈沖信號，此脈沖信號經過系統(tǒng)各部分硬件電路逐步處理后，再通過TMS320F2812 的串行通信接口SCI上傳到計算機分析處理，并最終繪制出X射線能譜圖。系統(tǒng)結果的調試是在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3中完成的，調用CCS3.3的圖形顯示窗口，繪制的能譜如圖7所示。

由圖7 可知，本文的道址數(shù)設定為1 024,由于TMS320F2812 的ADC 是12 位，因此需要將A/D 轉換后的數(shù)據(jù)進行寄存器右移2位操作。整條譜線各個道址的計數(shù)率都很低，計數(shù)率最大的道址在250道左右，計數(shù)率不超過30.要想提高道址計數(shù)率得到較理想的譜線，可以繼續(xù)提高X光管的供電電壓或加大燈絲電流。

4 結論

本方案所設計的基于DSP 芯片TMS320F2812 的X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，方案介紹了用于能譜數(shù)據(jù)采集的硬件電路和軟件設計， 經調試結果表明，本方案所設計的系統(tǒng)電路簡單、性能良好并且采集處理數(shù)據(jù)能力強，在配合由NaI(Tl)晶體與光電倍增管組成的閃爍探測器時，取得了良好的效果;同時本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、輸出穩(wěn)定等特點，具有一定的應用價值。