四路低本底αβ測量儀電路設(shè)計(jì)

邵建輝 劉海俠 喬海鵬 魏星 孫濤 李崇偉

摘要：本文介紹了一種四路低本底αβ測量儀的電路設(shè)計(jì)。在文中首先介紹了四路低本底αβ測量儀的電路組成，并對(duì)其各組成部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)介紹。設(shè)計(jì)的四路低本底αβ測量儀體積小、功耗低、性能穩(wěn)定可靠，可快速測量樣品。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com. cn/article/164393.htm

關(guān)鍵詞：低本底；αβ；CPLD；MCU

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.014

引言

低本底αβ測量儀作為生活飲用水、土壤、空氣、食品等環(huán)境樣品中總放射性測量的主要儀器，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測和輻射衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)等領(lǐng)域。四路低本底αβ測量儀由四個(gè)獨(dú)立工作的探測單元組成，可以同時(shí)測量四個(gè)樣品，相對(duì)于單路測量儀，省時(shí)高效[1，2]。

為完成放射性測量與分析，四路低本底αβ測量儀電路的基本要求如下：模擬放大電路要具有較大信噪比，實(shí)現(xiàn)探測器輸出的微弱信號(hào)放大；能同時(shí)放大多路信號(hào)，且不互相串?dāng)_；能實(shí)時(shí)對(duì)多路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行反符合與計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器位寬不小于16位；具有與計(jì)算機(jī)通信功能。該電路的穩(wěn)定性、可靠性直接影響著測量儀的測量精度和長時(shí)間穩(wěn)定性，本文采用高性能放大器和比較器設(shè)計(jì)放大比較矩陣，基于可編程邏輯器件CPLD和STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種四路低本底αβ測量儀的電路，實(shí)現(xiàn)了高精度可靠測量。

電路設(shè)計(jì)

四路低本底αβ測量儀電路工作原理是：將探頭單元（包含4路主探頭和2路反符合探頭，共6路信號(hào)）輸出的微弱模擬模擬信號(hào)進(jìn)行放大甄別，成形為數(shù)字脈沖，再經(jīng)反符合過濾本底信號(hào)后進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果送到單片機(jī)處理和顯示等，最后通過計(jì)算機(jī)獲取測量數(shù)據(jù)，完成計(jì)算、顯示、打印報(bào)表等。其硬件組成如圖1所示，主要由6路探頭矩陣（4路主探頭和2路反符合探頭）、放大矩陣、比較器矩陣、可編程邏輯器件CPLD、MCU、RS232接口、高壓及高壓控制電路和低壓電源等部分組成。

探頭矩陣

探頭矩陣由四路主探頭和兩路反符合探頭組成，可同時(shí)對(duì)4個(gè)樣品進(jìn)行測量。探頭部分采用無跟隨器設(shè)計(jì)，只安裝分壓電阻電路，信號(hào)輸出和高壓輸入共用一根同軸電纜，減少了信號(hào)線、電源線和高壓線數(shù)量。后續(xù)處理電路實(shí)現(xiàn)探頭矩陣輸出微弱信號(hào)放大和處理等。

MCU是儀器的控制中心，完成高壓參數(shù)和比較閾值參數(shù)的配置以及測量數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送，并接收主機(jī)送來的命令參數(shù)。

MCU采用最新的ARM CORTEXM3內(nèi)核的STM32單片機(jī)，型號(hào)為STM32103VBT6，主頻為72MHz，128K字節(jié)FLASH，20K字節(jié)RAM，100管腳封裝。該系列具有功耗低，處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。STM32的SPI1和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7554連接，采用軟件片選信號(hào)；UART1實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的串口通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)BootLoader功能，用于程序下載；PortC和PortD與CPLD連接，PortC用作地址線，PortD用作數(shù)據(jù)線，設(shè)為開漏輸出模式，在需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，輸出全置1，模擬實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)總線功能，這樣不需要在輸入輸出時(shí)進(jìn)行端口模式切換，提高了效率和可靠性。

單片機(jī)固件開發(fā)采用嵌入式操作系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)并行存在的任務(wù)層，按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列依次是：數(shù)據(jù)采集計(jì)算任務(wù)、串口通訊任務(wù)、狀態(tài)顯示任務(wù)等，嵌入式操作系統(tǒng)按優(yōu)先權(quán)的高低對(duì)各任務(wù)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

狀態(tài)顯示及聲響輸出電路

狀態(tài)顯示電路主要由6路狀態(tài)指示燈和工作指示燈組成，用于顯示各路探測器的工作狀態(tài)以及儀器的工作狀態(tài)。聲響輸出主要由蜂鳴器組成，實(shí)現(xiàn)聲音提示功能，用于加電、故障、開始測量及測量結(jié)束等狀態(tài)提示，可提醒使用人員及時(shí)處理儀器狀態(tài)或讀取數(shù)據(jù)。

通訊接口

儀器的通訊接口采用串口。串口具有開發(fā)簡單，傳輸距離較遠(yuǎn)，連接方便的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)儀器的通用接口。采用Maxim公司低功耗RS-232通信芯片MAX3221，工作電壓+3.3V，通訊速率115200bps。

電源設(shè)計(jì)

高壓及高壓控制電路用于為探頭提供穩(wěn)定可靠的工作高壓，采用壓控高壓電源，工作電壓+12V，控制電壓0～5V，輸出電壓范圍0～1500V，輸出電流5mA，為提高高壓精度和穩(wěn)定性，控制電壓采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7554實(shí)現(xiàn)。

低壓電源選擇上海衡孚開關(guān)電源廠的HF35W-D型開關(guān)電源，輸出電壓為+12V/2A和-12V/1A。電路中共用到的電壓有+12V、+5.5V、+3.3V和-12V。其中+12V和-12V經(jīng)濾波后用于高壓及模擬電路供電；+12V通過開關(guān)電源LM2595降壓至+5V，再經(jīng)LDO芯片LM1117-3.3轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成3.3V，用于數(shù)字電路供電，這種開關(guān)電源+LDO的組合電源模式兼顧了高效率和低紋波等特點(diǎn)；+12V通過LDO芯片LM1117-5轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成+5.5V，用于DA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路供電。具體電路如圖5所示。

結(jié)語

本文通過放大比較矩陣電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多路微弱信號(hào)放大處理，采用可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)了反符合電路和計(jì)數(shù)電路，并基于高性能STM32單片機(jī)應(yīng)用嵌入式軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種四路低本底αβ測量儀的電路，測試表明該電路功耗低，抗干擾能力強(qiáng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性好，其設(shè)計(jì)也可用作其他精密測量儀器儀表電路設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉海俠，邵建輝，魏星.一種新型四路低本底αβ測量儀[J].防化研究，2012，（1），22-28

[2] 山越和雄，低水平放射性測量[M].北京：原子能出版社，1985

[3] 光電倍增管基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].濱松光子學(xué)株式會(huì)社，1995

[4] 王誠，吳繼華，范麗珍.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005

[5] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008