基于STM32F的便携式核谱仪的研制

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现代核谱测量仪器的发展逐渐趋于便携化、小型化和智能化。虽然之前的便携式核谱测量仪器集成度较高，但是成本和功耗也相对较高，已满足不了现代野外核辐射探测的需求。笔者所设计的便携式多道核谱仪采用STM32F103 作为控制器，利用控制器自身携带的ADC 采样，对γ 射线进行数据采集，处理后通过液晶显示模块对谱线进行显示; 同时也可将测量的数据存储在存储卡中，用于电脑更加精确地离线分析( 利用设计的核谱处理软件) ，以弥补野外分析不足的缺陷。由于系统大部分的电路集成在控制器中，外围电路很少，并且采用了市场上高性能、低成本、低功耗的32 位处理器，因此与其他嵌入式核谱测量仪器相比，该设计不仅集成度和工作时间显著提高，而且成本和功耗也明显降低，更适合野外探测。
         
        1 硬件系统设计
        整个核谱仪的硬件系统由探测器及放大电路模块、高速数据采集和处理模块、程控运放模块、存储和显示模块组成。系统的结构如图1 所示。
         
       
        图1 硬件系统结构框图
       
        1.1 放大电路的设计
       
        核辐射测量中，探测器输出的信号比较小，需要加以放大再进行测量，而放大器分为前置放大和主放两部分。前置放大电路的主要作用是提高系统的信噪比和减少外界干扰，因此比较简单。前置放大器的体积小，紧靠探测器并与探测器构成一个整体，称为探头。
       
        主放电路的主要作用是对信号进一步进行放大成形，以方便后续测量。经前置放大的信号首先通过C1-R3 组成的微分电路成形，然后通过一个反相线性放大节进行线性放大，利用C3-R5-R6极零相消电路消除下冲，然后经过有源积分滤波器将信号进一步放大成形，这时的信号就可用于后续工作中。主电路如图2 所示。
         
       
        图2 主电路
       
        1.2 高速数据采集
        利用芯片自身携带的12 位ADC 对信号进行采样，它有16 个输入通道，采样频率为1MHz，有单信号及扫描等几种模式，笔者采用单信号输入模式。高速数据采集电路如图3 所示。
         
       
        图3 高速数据采集电路
       
        1.3 稳谱电路设计
       
        设计了由单片机自身携带的DAC 所组成的程控运放，目的是为了让系统自动调节由各种外界条件引起的测量数据的偏差，增加系统的稳定性和测量数据的准确性。程控运放电路如图4 所示。
         
       
        图4 程控运放电路
       
       
        2 系统软件设计
        核谱数据处理程序在keil 编译环境下编写，可以完成基本的核谱分析: 谱线显示、寻峰及元素的定性分析等。软件程序流程如图5 所示，控制器在收集数据的同时对收集的数据进行处理，并通过显示模块显示。
         
       
        图5 软件程序流程
        在系统工作前首先要对系统进行初始化，下面给出了A/D、D/A、SPI 的初始化程序。其中ADC 选用ADC1 的通道0，独立连续转化模式，用于传输数据到SD 卡的SPI 总线采用八位数据传输模式，代码为:
         
       
       
         
        谱线处理包括谱光滑、寻峰及计算峰面积等几方面的内容。其中谱光滑采用了多项式最小二乘拟合法，寻峰采用了对称零面积法，计算峰面积采用了线性本底法。最小二乘拟合的基本思想就是用一个n 次多项式与W = 2m + 1 个谱数据点逐次分段进行拟合，以达到光滑的目的。设在谱数据中取2m + 1
       
       
        对称零面积法的思想是对称的面积为零的“窗”函数与实验谱数据进行褶积变换，对线性基底的褶积变换将为零，只有存在峰的地方不为零。这样就可以准确找出峰位所在。程序为:
         
       
         
        3 实际测试
        系统中的探测器用的是闪烁体探测器，虽然闪烁探测器的能量分辨率比不上半导体探测器，但具有探测效率较高及灵敏体积大等特点，并且对环境的适应性较强。用NaI( Tl) 晶体50mm ×50mm 做测试，采集的数据经过核谱数据处理软件处理后如图6 所示。
       
        图6 数据处理效果
       
        由图6 可以看出，经过处理后的谱线很光滑，峰位清晰，并且在图形下方还可看见对应峰位的峰值，以便对其进行定性分析。
        4 结束语
        基于STM32F103 处理器的γ 能谱仪将便携式核谱仪的功耗降到最低，并且最大限度地降低了成本。而VB 编程的离线核谱处理软件，可以对所测数据进行分析处理，使仪器的整体性能得到了提高。但系统不能现场对所测数据进行分析处理是该系统存在的一个缺陷。
         
         
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