USB便携式多道γ能谱仪的设计与实现

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摘要：讨论了串行总线（USB）技术应用于便 携式多道γ能谱仪的可行性，并详细介绍了 系统的硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序的设计方法，最后给出了其性能测试结果。

    关键词：USB γ能谱数据采集 WDM

野外地面γ能谱测量技术主要研究地壳岩石土壤中产生的能量范围约为30keV～3000keV的γ射线，这里面包含着轴、钾等天然放射性核元素信息、核工程活动产生的大量人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互作用产生的相关信息。而用于获取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研究课题，其功能是把从γ射线探测器得到的脉冲信号转换为X-Y轴的能谱形式并显示出来（X轴代表能量，Y轴代表脉冲计数）。
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    传统的多道γ能谱仪一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的标准模式。但其存在体积庞大、抗干扰能力差等缺点，不适合于野外现场测量。为适应多道γ能谱仪智能化、微机化、便携化的实际需要，本设计采用笔记本电脑作为γ能谱仪的上位机。常用接口方式主要有RS-232C串口、红外线端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。这几种接口方式的特点比较如表1所示。

表1 接口方式特点比较

方式	长度（m）	速度（b/s）	主要优点	主要缺点
串口	15	20k	应用广泛，研发简单	速度慢，逐渐被淘汰
并口	10	8M	速度较快，研发简单	逐渐被淘汰
红外线	2	115k	无线传输	距离短，可靠性差，耗电大
USB1.1	5	12M	传输稳定，速度快，使用方便，具有弹性，代表接口发展方向	协议复杂，研发难度较大
1394	1.5	400M	传输速度快，具有弹性	特定用途（视频），研发难度大
Ethernet	500	10M	传输可靠，使用方便 ，资源共享	特定用途（LAN），研发难度大

经过比较轮证发现，USB作为近年出现的一种代表微机接口发展方向的新型总线规范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特点，使之非常适合作为便携式多道γ能谱仪的接口方式。目前大多数笔记本电脑一般都有两个以下的USB端口，USB规范规定每个端口提供5V、500mA的电量，而笔记本电脑在实际应用时，通常是通过自带锂电池供电的，无法提供足够的电量给外设，这时就会造成外设工作不正常，甚至使系统崩溃。考虑到本系统下位机部分功耗较大，因此供电方式使用外置电源。

笔者在吸收借鉴γ能谱测量技术最新研究成果的基础上，进行了USB便携式多道γ能谱仪的设计。本设计主要完成硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序等的设计工作。

图2

1 硬件设计

1.1 系统总线结构

图1所示为USB便携式多道γ能谱仪的总体结构框图。下位机硬件部分主要由γ射线探测系统（探头）、脉冲信号调理电路、数字电位器、多道脉冲幅度分析器、USB接口电路以及电源电路等构成，其中探头部分包括闪烁探测器、前置电路和高压电路等，多道脉冲幅度分析器主要包括峰值别电路、控制电路、A/D转换电路以及微控制器系统等。上位机由笔记本电脑系统构成。

软件部分由固件、设备驱动和应用程序组成。

1.2 USB接口电路
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    由于USB本身的控制协议较为复杂，需要使用相应的USB接口芯片。本设计采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（简称D12），其优点是可以选择合适的微控制器及其开发系统进行外设开发。

D12内部集成了串行输入引擎（SIE）、320字节的多结构FIFO存储器、收发器以及电压调整器，支持DMA方式，采用双缓冲区技术，遵从USB1.1标准。芯片中串行输入引擎（SIE）模块起着至关重要的作用，完成所有USB协议层功能，如同步模式识别、并/串转换、位填充/解填充、CRC检验/产生、包PID产生/确认、地址识别、握手信号包响应产生等。另外，D12还集成了SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性，提高了系统的性价比。

图4

    微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一种兼容Intel8032微控制器的产品，其主要特点是工作电压范围宽（2.7V～5.5V）、功耗低、性价比高。D12与GMS90L32的连接如图2所示。本设计使用了多路地址/数据总线复用方式。

此外，本系统选用了美国ST公司的PSD913F2，它是用于8位微控制器的具有大容量FLASH存储器、在系统编程（ISP）能够和可编程逻辑的器件。它将地址锁存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一个芯片内，成功地实现了微控制器系统的“MCU+PSD”两芯片解决方案。这种方案既可简化电路设计，节省PCB印制板空间，缩短产品开发周期，又可增加系统可靠性，降低产品功耗。

2 系统软件设计

2.1 微控制器固件程序

所谓固件程序就是固化在程序存储器中的程序代码。本系统的固件存储在PSD913F2的Flash存储器中，固件开发使用的是Keil C51语言，开发平台为μVision2集成开发环境。
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    固件的开发是移植与开发相结合。本设计参考了Philips公司提供的D12固件程序范例，对于USB协议操作的相关代码可以直接移植使用，而数据采集、传输、存储等部分则是全新的开发工作。

固件程序结构如图3所示。硬件抽象层对D12的数据读、写以及各种指令的写入进行函数封装；D12命令接口层对D12的所有控制指令的函数进行封装；USB向量请求模块完成USB上电配置、向量请求等各类事件的响应处理；USB协议层包括对USB协议操作的封装以及对USB标准请求的响应；中断服务进程包括USB中断、ADC中断以及定时器0中断（记录测量时间）等。

主程序及ADC中断服务程序流程图如图4所示。主程序首先完成各种初始化，然后进入主循环，等待中断的发生，并根据标志变量执行相应的函数。当打开控制电路时，脉冲峰值别电路自动启动A/D转换，转换结束信号会触发微控制器外部中断1，进入ADC中断服务程序，读取A/D转换结果并存入缓存中，然后中断返回。

当D12有事件需要处理时，将触发微控制器外部中断0，微控制器读取D12的中断状态寄存器，判断中断的来源并作出相应的处理。若由数据端点触发，则相应地读取或写入数据；若由控制端点0触发，则判断请求的类型。标准请求由USB协议处理模块处理，用户自定义向量请求由USB向量请求模块处理。
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