基于TMS320F2812的多道脈沖幅度分析器設計★

馬橋斌， 李利品， 孫亮亮， 梁 璐

（西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西省西安市 710065）

0 引言

作為分析核輻射能譜測量的一種基本方法——多道脈沖幅度分析技術，隨著科技的不斷發展逐步向著數字化方向發展，并且成為一種必然的趨勢。數字脈沖幅度分析器可以將隨機而且高速的模擬核信號快速地轉換為數字化的核信號，繼而對數字化了的核信號進行閾值判別，再對道址進行操作，從而得到核能譜。由于相對于模擬多道脈沖幅度分析器，數字多道脈沖幅度分析器具有體積小，抗干擾能力強，處理速度快，處理精度高等一系列優點，所以使得數字多道脈沖幅度分析器越來越多的在各種領域廣泛的應用。

1 系統總體組成

數字多通道脈沖幅度分析器主要由圖1所示各部分構成：前置放大電路、濾波電路、峰值保持器、保護電路、DSP主控芯片、外部數據儲存器。

圖1 多道脈沖幅度分析器組成原理圖

探測器采用閃爍探測器，射線穿過介質后，光子會作用于閃爍體，閃爍體中的原子受激，發出熒光，但是這種熒光信號是不能被電子測量儀器所記錄的。為此，使用光電倍增管，一種將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件，將熒光信號轉換為電脈沖信號，同時對此電脈沖信號進行放大。此時由探測器輸出的電脈沖信號，輸入至下一端的濾波電路以濾除干擾信號，濾波電路采用帶通濾波，對探測器輸出射線的頻率分析后得出中心頻率和帶寬。濾除了噪聲后的電脈沖信號，輸入至峰值保持電路，峰值保持電路將脈沖信號變換成幅度與脈沖幅度最高處一致的直流信號，與此同時PKD01芯片產生一路啟動信號，輸入至DSP，用于啟動DSP的AD轉換功能，此時高速A/D轉換器開啟，開始將直流信號轉換成為一個12位的數字化信號，DSP會根據此信號進行內部尋址操作，并且對相應的道址進行加一操作，隨后產生一路復位信號，發送至PKD01芯片，用于對峰值保持器進行復位操作。預先設定好一次能譜圖的采樣時間，等到到達規定時間時，DSP會將此次采集的能譜圖發送至外部數據存儲器，并且清除在內部存儲空間儲存的能譜圖，以進行下一次的能譜圖采集。在采集一段時間后，可通過上位機指令操作，DSP會通過RS232將存儲在外部數據存儲器上的能譜圖上傳至上位機對數據進一步處理。

2 脈沖峰值保持電路

為了提高對每一個核輻射脈沖的采樣精度，我們采取了對脈沖進行峰值展寬的辦法，即使用脈沖峰值保持電路對核輻射脈沖信號進行處理。本文采用AD公司的PKD01芯片，芯片的具體電路接法如圖2所示。

圖2 PKD01的負峰值檢波增益電路結構

AD公司的PKD01芯片，所完成的功能就是跟蹤一路模擬信號直至信號的最大振幅到來時，將最大值保留下來，并且輸出一路與最大值相等的直流信號。PKD01創新的設計技術，通用放大器簡化內部頻率補償，最大限度地減少采集時間和最大限度地提高電路的精度。針對核脈沖信號的特點，PKD01芯片選擇負峰值檢波增益連接法。

經由探測器輸出的信號，通過光電倍增管的作用，將熒光轉換位電脈沖信號，根據脈沖幅度的不同，便可以區分能量的大小。本文針對X射線，由于X射線產生的核脈沖信號只有負脈沖，要保持的信號只有負脈沖有效，故選取PKD01芯片的負峰值檢波增益電路連接方法，由圖3可以看出，只有當輸入波形是負脈沖時，并且負脈沖到達底端時，芯片才會保持此脈沖，而對于正向脈沖，芯片不做任何處理，只是保持原有輸出狀態。通過對芯片的這種連接方法，可以有針對性地對輸入信號進行峰值保持，提高了系統工作的效率，并且減少了不必要的誤差。圖3為PKD01芯片對探測器輸出脈沖信號的保持圖，從圖中可以看出一個X射線的脈沖寬度基本上在3 μs左右，PKD01芯片需要4 μs多的時間來追蹤信號，最后輸出保持的信號，并且對信號進行了放大。

圖3 PKD01保持探測器輸出圖

3 系統軟件設計

本文中編譯環境主要是在TI公司的集成軟件開發環境CCStudio v 3.3中完成的，使用ICETEK-5100USB仿真器進行在線仿真。DSP程序流程圖如圖4所示。

圖4 DSP程序流程圖

本文中主要用到2812的外設有：模/數轉換器ADC模塊、通用數字I/O口、EV事件管理器、串行通信接口SCI、時鐘和系統控制。

經由峰值保持器輸出的直流電平信號，輸入至DSP的ADC模塊，進行模數轉換,將模擬信號轉換為數字化信號。TMS320F2812內置的ADC模塊是一個12位分辨率的模/數轉換器，時鐘頻率最高可配置25 MHz，采樣頻率最高位12.5 MSPS，本文中只使用ADC模塊16個采樣通道中的一個，ADCINA0。在DSP內部RAM中提前開辟一段固定的存儲空間，用來作為道址，本文中使用DSP片內單口隨機存儲器SRAM的L0，共使用1025×16位空間，具體代碼如下：

DRAML0 : origin = 0x008000, length =0x000401

newsect : ＞ DRAML0, PAGE = 1

本文中通道數為1024道，對于本文中所采用的算法而言，需要將模數轉換后的12為數字信號進行寄存器位右移操作。轉換后的12位數字信號經過DSP的移位處理，直接作為道址來尋址，繼而對相應的道址進行加一操作，以上過程循環進行，即可統計出能譜圖。同時經過定時器的作用，在經過一定的時間后，將數據轉存至外部數據存儲空間（本文中使用SST39VF800A）。上位機可以通過指令使存儲在外部數據存儲空間的數據通過SCI上傳至上位機，用于對數據進行更進一步的處理。

4 系統測試結果

圖5是配合NaI（Tl）探測器實測55Fe譜圖。該測試結果是在高壓電源為1.4 kV條件下測得的。根據能量分辨率的計算公式，本系統的能量分辨率為：

已經可以達到能譜分析儀設計的要求。

圖5 系統測量能譜圖

采用最小二乘法計算積分非線性為6‰，影響分析器積分非線性的因素有線性門、展寬器、進行阻抗隔離的緩沖器的線性以及恒流源的恒流程度有關，所以本系統的積分非線性大約為4‰。由于存在數字電路干擾引起的道寬不一致性，產生“奇偶效應”，以及實際模式變換器中存在噪聲、電源電壓抖動等隨機干擾，使得本系統的微分非線性計算得約為±5‰。

5 結論

使用DSP作為主控芯片分析射線能譜較之以前的系統有高速、高穩定性、體積小等諸多優點，明顯的提高了多道脈沖幅度分析器的精度以及適用性，有著較高的實用價值。

[1]楊勇,張圓月,劉志宏,等.醫用診斷X射線劑量探測技術概述[J].中國測試術,2005,31(4):94-96.

[2]吳永鵬.智能多道譜儀的研制[D].成都:成都理工大學,2004:23-45.

[3]周建斌,庹先國.基于微機打印接口的1024道分析系統的設計[J].核電子學與探測技術,2000,20(2):124-12.

[4]劉云翔,高飛.利用8098單片機實現多道脈沖幅度分析[J].長春光學精密機械學院學報,1997,20(1):57-61.

[5]Cardoso J M,Simes J B,Menezesa T,et al.Nucl InstrMeth in Phys Res,2003,A 505:334-337.

[6]趙曉巖.用于束流剖面探測的位置靈敏探測器[J].核電子學與探測技術,2003,23(2):139.

[7]陳國杰,曹輝,謝嘉寧,等.核脈沖高速高精度峰值采樣保持電路的研究[J].核電力學與探測技術,2007,27(2):1023-1026.

[8]夏文明.基于USB的虛擬多道脈沖幅度分析系統的設計[J].核電子學與探測技術,2006,26(5):691.