基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統設計?

葉偉慧

（廣東海洋大學寸金學院 湛江 524088）

1 引言

原子是由原子核和電子組成的，放射性原子核自發地放射α粒子而發生α衰變，直到退激或級聯退激到基態，產生伽馬射線，伽馬射線具有不同的激發能級，采用伽馬能譜儀能得到一系列線狀的、不連續的γ能譜，通過γ能譜的測定能實現對放射性核素的種類及含量的鑒定，因此設計伽馬能譜儀在放射性同位素探測、地質勘探和沉積巖分析等領域都具有較高的應用價值[1]。伽馬能譜具有光電效應和康普頓效應，γ射線的全部能量能有效反射光子的能量和運動方向，可以通過LCD顯示器進行伽馬能譜的液晶顯示和輸出，實現對伽馬射線的可視化探測和計算機視覺分析［2～4］，伽馬能譜LCD顯示系統是一種能將伽馬射線轉換為電脈沖信號后按能量計數進行能譜圖繪制的顯示器。傳統的伽馬能譜LCD顯示設計中，由于受到自然伽馬放射性能量譜偏移和基線道址失穩等因素的影響，導致產生基線漂移和LCD顯示失真，需要進行伽馬能譜的LCD顯示優化設計，對此，本文提出一種基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統設計方法，首先進行了LCD顯示系統的總體設計描述，然后進行系統的硬件設計和軟件開發，最后進行LCD顯示系統的系統調試分析，展示了該系統的可靠性能。

2 伽馬能譜LCD顯示系統總體設計構架

2.1 總體設計思想及外圍器件選擇

為了實現基于嵌入式VXI總線技術的伽馬能譜LCD顯示系統設計，首先進行系統的總體設計分析和功能指標描述，采用實時VXI總線技術方法進行伽馬能譜的總線數據采集，伽馬能譜LCD顯示系統建立在對伽馬能譜探測信息的特征采樣和總線控制的基礎上，采用實時觸發器PXI-6713進行伽馬能譜探測信息采集，采用標準的VPP儀器驅動程序進行總線驅動，伽馬能譜探測信息數據采集的功能模塊包括信息監測探頭、接收天線、控制器等[5]。采用HPE1433A高速數據捕獲總線模塊記錄伽馬能譜探測信息并存儲到數據硬盤中，伽馬能譜儀LCD顯示系統的觸發器PXI-6713采用標準的VPP儀器驅動程序。單片機中每個道址逐步累積起不同的計數，在LCD液晶熒光屏上進行伽馬射線的脈沖幅度譜分析，測試輸出的能譜數據采用內核控制寄存到HPE1562D/E SCSI數據硬盤，閃爍探頭輸出的電脈沖信號通過電容耦合進入伽馬能譜儀，采用小型化、低功耗和全波采樣的ARM Cortex-M0處理器內核構建傳感器模塊，通過計數器模塊分配到各PXI-6713模塊中，在LCD顯示器輸出測譜信息［6～8］，伽馬能譜儀結構如圖1所示。

圖1 伽馬能譜儀的功能模塊結構

伽馬能譜儀LCD顯示系統觸發總線采用PXI實時記錄數據的中斷脈沖，使用S3C2440自帶的AD系統進行伽馬能譜儀LCD顯示系統的6通道同步采樣設計，通過AD控制電路、ARM主控電路集成總線RTSI0～7數據回放模塊。根據上述分析，得到本文設計的基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜總線數據流傳輸流程如圖2所示。

圖2 嵌入式VXI總線的伽馬能譜總線數據流傳輸流程

2.2 系統的功能模塊分析及技術指標描述

伽馬能譜LCD顯示系統包括硬件設計和軟件設計部分，伽馬能譜的采集和總線傳輸是整個系統的基礎，根據設計要求，伽馬能譜的采樣頻率不低于15MHz,LCD系統顯示的分辨率不低于8位，功耗盡量小，采用單5X供電，輸入范圍為3Vpp，功耗280mW，在系統設計中，數字信號處理器選用ADSP21160處理器作為核心控制芯片，LCD顯示系統的硬件設計部分主要包括時鐘電路、AD電路、復位電路、伽馬能譜基線恢復電路和程序加載電路等，LCD顯示系統的內核開關電源的開關頻率在0～1 M Hz間調節，根據LCD顯示系統的設計功能需求，設計的系統的功能技術指標描述主要有：

1）D/A轉換器輸出的電壓信號0～4.095V，放大量為80dB，D/A轉換速率＞200kHz;

2）伽馬能譜儀LCD顯示器的模擬預處理機動態范圍：-40dB～+40dB，最大倍頻數為64倍；

3）自動增益控制經24倍頻后形成600Hz的內核頻率,通過PXI總線橋接PXI-6713模塊與PC機進行通信，伽馬能譜LCD顯示系統采用可編程功能口與PFI0～9進行數據傳輸和控制;

4）外部I/O設備包括A/D轉換器AD7864兩片，輸出信號幅度±20V。LCD顯示系統的AD輸入電壓滿足：

AVSS-0.3V＜VINA＜AVDD+0.3V

AVSS-0.3V＜VINB＜AVDD+0.3V

5）系統外部輸入電壓±12V，能與外部SRAM通信，采樣通道數由DSP數據總線dspD[3：0]控制，根據各放大器芯片的放大特性，實現系統低功耗控制和數據存儲，控制寄存器模塊從24位地址的EEPROM主機引導，伽馬能譜的放大控制D/A轉換具有32位地址/數據控制總線。

6）AD轉換器采樣通道為8通道同步、異步輸入，采樣時鐘≥150 Hz。

根據上述設計指標，通過PXI總線橋接PXI-6713模塊與PC機進行通信，伽馬能譜LCD顯示系統采用可編程功能口與PFI0～9進行數據傳輸和控制，實現總線RTSI0～7的顯示系統接入，進行LCD顯示系統的硬件模塊化設計。

3 系統硬件設計部分

根據上述總體設計模型分析，進行伽馬能譜儀LCD顯示系統的優化設計，基于嵌入式技術進行伽馬能譜儀LCD顯示系統的硬件模塊化設計，系統的硬件電路設計主要包括了時鐘電路、AD電路、復位電路、伽馬能譜基線恢復電路和程序加載電路。各模塊設計具體描述如下：

1）時鐘電路。伽馬能譜儀LCD顯示系統的時鐘電路是實現LCD顯示系統對伽馬能譜數據的時鐘中斷控制，通過低電壓復位以及看門狗復位構建時鐘控制模塊，采用并行外設接口(PPI)構建伽馬能譜儀LCD顯示系統的時鐘中斷接口，它是半雙工形式，支持8個多頻的LCD液晶顯示的AD數據采樣[9]，伽馬能譜LCD顯示系統具有低功耗性能，功耗主要來自靜態功耗Pspc和動態功耗Pdpc，即

其中：Vdd表示伽馬能譜儀LCD顯示系統的工作的額定電壓值，單位為V；Idd表示射頻前端的電流值，單位A；ITC表示伽馬能譜采集脈沖電流的均值；CT表示晶振電路的負載電容；fp表示A/D芯片的采樣時鐘頻率；α表示在一個周期內MOS電路的切換概率因子，其取值為0≤α≤1。

根據上述功耗需求，使用有源晶振ADSP-BF537作為時鐘電路和控制芯片，得到時鐘電路設計如圖3所示。

圖3 時鐘電路設計

2）AD電路。為了減少數字電路和模擬電路之間的相互干擾，提高LCD顯示的穩定性，需要進行AD電路設計，LCD顯示模塊的AD電路模擬電源采用模擬5V供電，伽馬能譜探測控制芯片采用VCA810控制AD采樣的電壓，選擇了MAXIM公司的5階開關電容對端口進行分配，AD電路的截止頻率為

設置隔直通交的RC濾波電路將TRF7960的I/O_0～I/O_7作為伽馬能譜LCD顯示系統的并口輸入輸出端，采用嵌入式VXI總線技術進行伽馬能譜AD采樣和總線數據傳輸，得到AD電路接口設計如圖4所示。

圖4 伽馬能譜LCD顯示系統AD電路接口設計

3）復位電路。復位電路執行伽馬能譜的液晶顯示上電加載，選用TMS320VC5409A邏輯與譯碼控制進行低電壓復位以及看門狗復位［10］，復位電路將產生復位信號，當電源VCC上電時，OUT在上電時會有一段時間為低電平，復位有效。具有VCC檢測功能，當VCC不足3.3V時，引入高頻干擾，看門狗輸出將變為低電平。復位電路設計如圖5所示。

圖5 復位電路設計

4）伽馬能譜基線恢復電路。基線恢復電路是實現伽馬能譜LCD顯示的基線漂移抑制功能，采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進行系統譜基線恢復電路設計和邏輯控制，構建伽馬能譜儀LCD顯示系統的信號調理LCD控制器，采用嵌入式VXI總線技術進行信號的放大、濾波和檢測，控制管腳包括SENCE和VREF，用于控制參考電壓和輸入范圍[11]，可進行16位數據的輸入輸出，PPI由1個專用時鐘引腳、3個幀同步引腳以及16個復用的數據引腳組成，與AD/DA轉換器、視頻編碼/解碼器及其他通用外設直接相連，伽馬能譜基線恢復電路設計如圖6所示。

5）LCD顯示模塊的接口程序設計及程序加載電路。伽馬能譜儀LCD顯示系統的程序加載電路采用并行外設接口(PPI)，采用嵌入式VXI總線技術進行伽馬能譜采樣和總線數據傳輸，EPM7128AET100需要外接2.5V的參考電壓，開始AD轉換，讀通道A的伽馬能譜儀中的能譜數據，當A Bˉ為低時，轉換B通道，可開始下一次AD轉換，引導加載的I2CEEPROM執行內部地址計數，實現伽馬能譜的幀數據實時回放，程序加載電路如圖7所示。

LCD液晶顯示器接口為DM74LS245為三態八位總線轉換器，通過JTAG接口訪問CPU的內部寄存器，通過串行EEPROM進行配置校驗，GPRS模塊選用Siemens公司的MC35i塊，內核電源通過10 μF和0.1μF電容濾波，以減少電源噪聲，STM32通過串口發生AT命令，液晶顯示器的驅動芯片接口如圖8所示。

通過上述設計，完成了基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統的硬件集成設計，在上述進行系統的硬件模塊化設計的基礎上，進行系統軟件開發和聯調調試。

4 軟件開發及系統調試結果分析

對上述伽馬能譜LCD顯示系統進行軟件開發和系統調試分析，系統軟件的開發平臺是嵌入式ARM CortexTM-M09，借 助 于 LabWindows/CVI，C/C++開發工具進行伽馬能譜LCD顯示系統的嵌入式程序加載和軟件設計[12～15]，在嵌入式系統中設計伽馬能譜儀LCD顯示系統的Linux內核、系統程序、shell以及應用程序。通過從DOUTA串行接口配置PPI的操作模式，實現程序加載和LCD顯示器接口的兼容性數模轉換，設定SPORT0_TCLKDIV為4，即串口發送時鐘為12MHz，通過VIX總線技術引導程序負責上電時初始化和能譜顯示數據回放，在嵌入式系統下觸發AD7656的A/D轉換設備進行系統的打開和關閉，最后編譯程序，得到以LDR為后綴的加載文件，燒寫EEPROM，通過以上調試，通過JTAG掃描確定DSP是否工作正常，打開Visual DSP++自帶的ICETest掃描JTAG口，得到伽馬能譜LCD顯示系統輸出的晶振波形如圖9所示。

圖6 伽馬能譜基線恢復電路設計

圖7 程序加載電路

由圖9可知，晶振輸出完全正常，掃描通過后，配置Visual DSP，進行硬件仿真，設計光電倍增管LCD顯示器，采集伽馬能譜儀內存中的4000個采集數據，其中橫坐標為采樣點，縱坐標為信號幅度，設置兩路D/A同時輸出最大值5V，脈沖寬度為2μs，得到伽馬能譜測試波形的LCD顯示輸出結果如圖10所示。成電路設計，采用嵌入式VXI總線技術進行伽馬能譜采樣和總線數據傳輸，進行LCD顯示模塊的接口程序設計，實現伽馬能譜的基線漂移抑制和幀數據實時回放，該伽馬能譜LCD顯示系統能有效實現脈沖寬度為2μs的伽馬能譜放射源測量，在光電倍增管LCD顯示器上實現對伽馬能譜測量的可視化分析和信號評估，性能可靠穩定，具有較高的應用價值。

圖8 伽馬能譜LCD液晶顯示接口設計

圖9 伽馬能譜的晶振波形輸出

圖10 伽馬能譜測試波形LCD顯示輸出

分析上述結果得知，采用本文設計的伽馬能譜LCD顯示系統進行伽馬能譜的A/D采樣和輸出顯示，能有效實現基線漂移抑制和伽馬能譜幀數據的實時回放，對脈沖寬度為2μs的伽馬能譜放射源測量結果準確，實現對伽馬能譜測量的可視化分析和信號波形分析，具有較好的實用價值。

5 結語

本文設計的基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統能有效實現伽馬能譜LCD顯示和伽馬能譜探測波形的輸出可視化分析，設計中采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進行系統集