用ATmega128控制的多道脉冲幅度分析系统

liyf

在4兆伏静电加速器工作区域内，需建立大范围的核辐射监测系统。其中多道脉冲幅度分析系统是关键。对γ射线探测器输出脉宽信号（1～2μs）的峰值进行采集分析，其采集速率必须大于1MS/s[1]。当前类似系统大都采用C51系列单片机（89C51）作为主控制器，由于C51系列单片机机器周期为12个时钟周期，工作频率为12MHz时指令执行速率仅为1MIPS，其速度慢的缺点影响了多道脉冲分析系统采集及数据传输速率。我们设计的这套系统第一大特点，采用AVR单片机系列功能最强大的ATmega128，取代C51系列单片机，使系统的工作速度提高了数十倍，采集速率可达到5MS/s。第二大特点，为解决与上位机通讯速度慢的问题，采用USB接口技术，使数据传输速率达到1Mbit/s。因而，该系统从根本上满足了核电信号要求采集速度高，通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点[2]也极大地改善了其使用特性。
1 ATmega128工作原理及其特点
ATmega128是AVR系列中功能最强的单片机，运用Harvard结构概念，具有预取指令功能，即程序存储和数据存储具有不同的存储器和总线。当执行某一指令时，下一指令预先从程序存储器中取出，程序执行效率高[3]。ATmega128指令执行的时序图如图1所示。

其机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能。可产生周期为125ns（频率为8MHz）的方波作为高速模数转换电路的时钟信号，比C51单片机的速度要高20～30倍。
2 ATmega128控制多道脉冲幅度分析系统的结构原理
以AVR单片机ATmega128作为控制核心的多道脉冲幅度分析系统主要由程控放大电路、阈值电路、峰值保持电路、高速模数转换电路、存储器扩展电路及USB接口电路组成。系统结构框图如图1所示

图1 多道分析系统结构框图γ射线探测器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶体，它和PMT（光电倍增管）及前置放大器封装一体，输出与被探测能量成正比的电压脉冲程控放大后，经阈值电路后进入峰值保持电路。在ATmega128控制下，完成高速模数转换，送入扩展存储器。待PC机发出读取数据指令，将采集到的数据通过USB接口传输给PC机。
2.1 程控放大及阈值电路程控放大电路
采用高速（带宽为170MHz）、低漂移的运算放大器AD9631，通过ATmega128调整具有I2C总线接口X9241M（数字电位器）输出电阻，改变其放大倍率。主要目的是定期测量标准放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射线的全能峰)的峰位变化—峰位漂移的“道数”，调整其倍率稳定特征峰峰位[4]。阈值电路由高速精确的电压比较器AD790（响应时间为45ns）、X9241M及基准源组成，ATmega128调整X9241M输出电阻设定其下限阈值电压，剔除探测器输出的低噪声信号。
2.2 峰值保持与高速模数转换电路
代表γ射线辐射能量的电压脉冲信号非常窄，宽度在1～2μs左右，无法直接进行A/D转换，将其峰值扩展后方可进行量化。由ATmega128控制的峰值保持与高速模数转换电路如图3所示。峰值保持电路由ADG721和AD790组成。ADG721是高速COMS开关，高电平有效，开关闭合需要为24ns，断开需要11ns。
                           
                        
                           
                                

峰值保持原理：开始ATmega128控制开关K1闭合，K2断开。U1输出电压分成两路，一路经二极管对100PF的电容C1充电；另一路送至电压比较器U3，与射极跟随电路U2输出电压比较。当U2输出电压大于U1输出电压时，此时电容C1保持的电压即为峰值电压。ATmega128接收到U3发出中断信号（INT2）后控制开关K1断开，启动高速模数转换电路对其采集并存储，完成后控制开关K2闭合，对电容C1进行放电。最后控制开关K1闭合，K2断开准备采集下一个γ事件峰值。电容C1是云母电容器，有极高的防泄露电能力，因而能够保持窄脉冲信号的峰值。高速模数转换电路中，AD9220是ADI公司一款性能优良的12位高速模数转换器，速率可达10MSPS[5]。选择内部参考源，用单端输入方式来进行采样，一次采样需要一个时钟周期，其速率取决于输入时钟的频率，电压输入范围为0～5V。ATmega128采用16MHz晶振，机器周期为62.5ns。通过软件编程在PD5端口产生周期为125ns的方波，作为AD9220进行采样的时钟信号（CLK）。由于每次采样后ATmega128还要进行数据存储，数据存储时间需62.5ns。故每获得一个数据总共需要187.5 ns。经测试表明，采用ATmega128成功弥补了89C51速度慢的缺点，充分发挥了AD9220高速模数转换的性能，转换速率达到了5MS/s。由于ATmega128内部仅含有4K的数据存储器，当数据采集量大于4K时，采用62256(32K)扩展外部数据存储器。
2.3 USB接口电路及软件设计
采用CH375作为USB控制器，它是一个USB总线的通用设备接口芯片，内置了USB通讯中的底层协议，支持主机方式和从机方式，具有8位数据总线（D0～D7）、地址输入（A0）、读（RD#）、写（WR#）、片选控制线（CS#）以及中断输出（INT#），作为从机挂接到ATmega128的数据总线上与上位机通信[6]。CH375与ATmega128接口电路如图4所示。

图4 USB控制器CH375与ATmega128接口电路在本地端，采用从机方式的CH375采用内置固件模式。ATmega128对CH375的操作是采用命令加数据的I/O操作方式，任何操作都是先发命令给CH375（其命令格式参考文献6），然后是执行数据输入输出。CH375接收到计算机端发送的数据或者发送完数据后，以中断方式通知单片机。在计算机端，采用VC作为计算机端应用软件的开发平台，利用CH375动态链接库DLL提供的API函数对其操作。将CH375芯片的驱动程序、动态链接库拷贝到计算机中，再将动态链接库的访问入口及函数定义入口添加至VC项目中后，对USB设备的通信编程就几乎和访问本地硬盘中的文件差不多了。
3 全能峰测量
该系统探测137Cs得到的全能峰如图4所示，阈值电路下限阈值电压设定为0.5V。横坐标为能量，分4096道，纵坐标为每道的记数值。从该图中可以得出137Cs的半高宽为171，能量分辨率为8.09%，产生662KeV的γ射线谱峰的最大计数是3395，对应的谱线道数是2115。

4 结束语
该系统由于采用AVR单片机ATmega128作为主控制器和USB总线进行数据传输，计数率高，死时间小。不仅具有采集速率高（5MS/s）的优点，还具有传输速度快（1Mbit/s）、易用、可扩展、快速、传输可靠等优点，已应用到我校4兆伏静电加速器的核辐射防护监测系统中。