USB便携式多道γ能谱仪的规划与完成

户外地上γ能谱丈量技能首要研讨地壳岩石土壤中产生的能量规模约为30keV～3000keV的γ射线，这儿面包括着轴、钾等天然放射性核元素信息、核工程活动产生的很多人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互效果产生的相关信息。而用于获取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研讨课题，其功用是把从γ射线探测器得到的脉冲信号转化为X-Y轴的能谱方法并显现出来（X轴代表能量，Y轴代表脉冲计数）。

传统的多道γ能谱仪一般选用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的规范形式。但其存在体积巨大、抗干扰才能差等缺陷，不适宜于户外现场丈量。为习惯多道γ能谱仪智能化、微机化、便携化的实践需求，本规划选用笔记本电脑作为γ能谱仪的上位机。常用接口方法首要有RS-232C串口、红外线端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。这几种接口方法的特色比较如表1所示。

表1 接口方法特色比较

通过比较轮证发现，USB作为近年呈现的一种代表微机接口发展方向的新式总线规范，其快捷易用、速度快、牢靠性高级特色，使之十分适宜作为便携式多道γ能谱仪的接口方法。现在大多数笔记本电脑一般都有两个以下的USB端口，USB规范规则每个端口供给5V、500mA的电量，而笔记本电脑在实践运用时，通常是通过自带锂电池供电的，无法供给满足的电量给外设，这时就会形成外设作业不正常，乃至使体系溃散。考虑到本体系下位机部分功耗较大，因而供电方法运用外置电源。

笔者在吸收学习γ能谱丈量技能最新研讨成果的基础上，进行了USB便携式多道γ能谱仪的规划。本规划首要完结硬件、固件、设备驱动程序以及运用程序等的规划作业。

图2

1 硬件规划

1.1 体系总线结构

图1所示为USB便携式多道γ能谱仪的整体结构框图。下位机硬件部分首要由γ射线探测体系（探头）、脉冲信号调度电路、数字电位器、多道脉冲幅度剖析器、USB接口电路以及电源电路等构成，其间探头部分包括闪耀探测器、前置电路和高压电路等，多道脉冲幅度剖析器首要包括峰值别电路、操控电路、A/D转化电路以及微操控器体系等。上位机由笔记本电脑体系构成。

软件部分由固件、设备驱动和运用程序组成。

1.2 USB接口电路

因为USB本身的操控协议较为杂乱，需求运用相应的USB接口芯片。本规划选用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（简称D12），其长处是能够挑选适宜的微操控器及其开发体系进行外设开发。

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，支撑DMA方法，选用双缓冲区技能，遵照USB1.1规范。芯片中串行输入引擎（SIE）模块起着至关重要的效果，完结一切USB协议层功用，如同步形式辨认、并/串转化、位填充/解填充、CRC查验/产生、包PID产生/承认、地址辨认、握手信号包呼应产生等。别的，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，提高了体系的性价比。

图4

微操控器选用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一种兼容Intel8032微操控器的产品，其首要特色是作业电压规模宽（2.7V～5.5V）、功耗低、性价比高。D12与GMS90L32的衔接如图2所示。本规划运用了多路地址/数据总线复用方法。

此外，本体系选用了美国ST公司的PSD913F2，它是用于8位微操控器的具有大容量FLASH存储器、在体系编程（ISP）能够和可编程逻辑的器材。它将地址锁存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一个芯片内，成功地完结了微操控器体系的“MCU+PSD”两芯片解决计划。这种计划既可简化电路规划，节约PCB印制板空间，缩短产品开发周期，又可增加体系牢靠性，下降产品功耗。

2 体系软件规划

2.1 微操控器固件程序

所谓固件程序便是固化在程序存储器中的程序代码。本体系的固件存储在PSD913F2的Flash存储器中，固件开发运用的是Keil C51言语，开发渠道为μVision2集成开发环境。

固件的开发是移植与开发相结合。本规划参阅了Philips公司供给的D12固件程序典范，关于USB协议操作的相关代码能够直接移植运用，而数据收集、传输、存储等部分则是全新的开发作业。

固件程序结构如图3所示。硬件笼统层对D12的数据读、写以及各种指令的写入进行函数封装；D12指令接口层对D12的一切操控指令的函数进行封装；USB向量恳求模块完结USB上电装备、向量恳求等各类事情的呼应处理；USB协议层包括对USB协议操作的封装以及对USB规范恳求的呼应；中止服务进程包括USB中止、ADC中止以及定时器0中止（记载丈量时刻）等。

主程序及ADC中止服务程序流程图如图4所示。主程序首要完结各种初始化，然后进入主循环，等候中止的产生，并依据标志变量履行相应的函数。当翻开操控电路时，脉冲峰值别电路主动发动A/D转化，转化完毕信号会触发微操控器外部中止1，进入ADC中止服务程序，读取A/D转化成果并存入缓存中，然后中止回来。

当D12有事情需求处理时，将触发微操控器外部中止0，微操控器读取D12的中止状况寄存器，判别中止的来历并作出相应的处理。若由数据端点触发，则相应地读取或写入数据；若由操控端点0触发，则判别恳求的类型。规范恳求由USB协议处理模块处理，用户自定义向量恳求由USB向量恳求模块处理。

2.2 USB设备驱动程序的规划

在Windows环境下，USB设备驱动程序遵从WDM（Win32 Driver Mode）方法。为了简化规划，并统筹驱动程序的运转功率，笔者选用了DriverStudio2.7东西软件中的DriverWorks组件进行USB设备驱动程序的开发。DriverWorks为WDM设备驱动程序的开发供给了完善的支撑。其间包括一个十分完善的源代码生成东西DriverWizard以及相应的类库和驱动程序典范，它还支撑在C++下进行设备驱动程序的开发。通过DriverWizard生成的代码只需求进行少数的修正能够运用，这使得驱动程序开发者能够将精力会集在驱动功用的完结上，而不用理睬太多的WDM开发细节。

本规划在DriverWizard的最终自定义了三个IOCTL接口对USB设备进行操控，如表2所示。然后在主动生成的驱动程序代码中向相应的IOCTL函数增加代码，用函数BuildVerdorRequest构建USB协议的自定义向量恳求（Vendor Request）。由编译修正后的源代码即可得到驱动程序文件McaD12.SYS。

表2 自定义IOCTL接口

2.3 USB运用程序的规划

运用程序的规划在Visual C++6.0开发环境下进行。依据实践要求，本规划需求在软件中对收集的数据进行收拾、剖析并显现。其功用模块首要有数据收集、谱数据显现、ROI操作、体系刻度、谱剖析等，其结构框图如图5所示。

在Win32体系中，USB设备被笼统为一个文件，运用程序只需求通过几个API函数就能够完结与驱动程序中USB设备的通讯。API函数如表3所示。

表3 设备文件操作API函数

本程序规划运用MFC多线程技能。单击开端按钮，程序就创立一个用户接口线程，而且通过IOCTL发动USB设备，然后在此线程每隔必定时刻（10～20ms）从USB总线上读取一次数据；而程序本身的主线程则不断地依据读取的数据改写屏幕，显现多道能谱。当单击中止按钮或是设定收集时刻届时，程序则通过IOCTL中止USB设备的数据收集，中止用户接口线程，而且中止屏幕谱线的更新。

当创立用户接口线程时，首要从CwinThread类派生一个CioThread类，然后调用AfxBeginThread()函数创立CioThread类的目标进行初始化，发动线程运转。依据需求可将初始化和完毕代码别离放在类的InitInstance()和ExitInstance()函数中。其间，InitInstance()函数是从USB收集数据的线程的首要函数。从中完结对IOCTL的调用、对USB设备数据的读取等功用。其流程如图6所示。

3 测验与定论

实测Cs放射源γ能谱如图7所示。依据能量为0.6641MeV的谱峰，体系能够主动核算能量分辨率，实测能量分辨率小于10%。

通过严厉测验，该体系其它首要技能指标为：γ射线能量剖析规模为20keV～3.0MeV; γ能谱剖析道数为1024道；放射源能量非线性系数小于5%；运用NaI(T1)探测器时，整机功耗小于960mW；实测USB最大数据传输速率约为1Mbps；接连丈量数据契合放射性计算涨落规则；设备驱动及运用程序兼容Win98/2000/XP。

上述成果表明，本体系的技能道路和软硬件规划先进，计划合理，并具有必定的立异性和实用价值。对本体系编译稍加修正便可运用于其它根据微机的数据收集、主动化测控体系中。