基于PIC和FreeRTOS的辐射剂量实时监测系统设计

侯跃新，肖丹，杨斌，李钢，李岩

（1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨150010；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150020）

基于PIC和FreeRTOS的辐射剂量实时监测系统设计

侯跃新1，2，肖丹1，2，杨斌1，李钢1，李岩1

（1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨150010；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150020）

为了满足辐射剂量实时监测及远程无线传输的需求，设计了基于PIC内核和嵌入式实时操作系统FreeRTOS的数据采集和无线传输系统。采用PIC24系列单片机为内核的PIC24FJ128GA106微控制器和中兴的GPRS模块Me3000等进行相关的硬件电路设计，通过移植FreeRTOS内核实现对盖革计数管的数据采集、GPRS的数据传输等任务的调度和对其他硬件资源的管理，简化了硬件设计的复杂度，优化了软件编程，提高了系统的实时性和可靠性，降低了成本。

PIC；辐射剂量；FreeRTOS；实时

核技术经历了半个多世纪的发展，目前已日渐成熟，被广泛地应用于核能、医学、农业和工业等各个领域，并在各行各业发挥着不可替代的作用。然而，核技术是一把双刃剑，在给我们带来巨大实惠的同时，也给我们的生产生活带来一定的隐患。从1998年以来，平均每年都有数十起放射事故。辐射剂量监测作为核技术的安全应用基本保障之一，越来越引起人们广泛关注。随着科学技术的不断发展，辐射剂量监测已经由原始的人工监测、远程有线监测，发展到现在的无线实时监测。监测数据的采集、数据的传输、现场报警和远程通知等功能都需要在同一时间完成，这样才能保证监测的实时性，对突发事件做出及时响应。因此，本文利用PIC系列单片机，结合FreeRTOS实时操作系统实现对辐射剂量的远程实时在线监测。

1　系统整体设计

辐射剂量实时监测系统主要利用盖革计数管或闪烁探测器的辐射剂量探测传感器对射线剂量进行探测，并对数据进行分析处理，通过GPRS等远程数据传输技术将分析结果传送至上级监控中心，并可对现场突发事件做出相应的预警。该系统由嵌入式PIC单片机、辐射探测器、GPRS数据传输模块和GPS定位模块等组成。该系统整体方案［1-2］如图1所示。

图1　系统整体方案图Fig1.The system block diagram

本系统选用PIC24FJ128GA106微控制器，该系列控制器是一款集成了一个完整模拟信号链的模拟片上系统，其中包括Microchip有史以来首个片上高精度16位ADC及10 Msps的12位ADC；还有一个DAC、两个运算放大器(运放)，并具备能够延长便携式医疗和工业应用电池寿命的超低功耗技术(XLP)。与多芯片实现相比，大大降低了成本，有助于实现更低噪声、更快吞吐量和更小PCB尺寸设计。

2　系统硬件设计

2.1GPRS模块选型及与微控制器的接口设计

从产品设计及实用性角度考虑，兼顾系统的稳定性和可靠性，本文选用中兴公司的ME3000作为无线GPRS传输模块，该模块是新一代GSM通信模块，支持端对端、端对用户的通信方式，支持SMS、GPRS等数据传输和语音呼叫。模块提供了非常完整的使用接口，包括两路串行数据通信接口、SIM卡接口。内嵌TCP/IP协议栈，串口支持GSM07.10协议，波特率可调。默认AT指令的波特率为115 200kbps。

ME3000模块输出IO电平为2.9V TTL，与标准3.3V或5V逻辑电路连接时，需经电平转换，图2所示为串口电平转换电路，转换后的信号可直接与微控制器连接。

图2　Me3000电平转换接口电路Fig 2.Me3000 level switch interface circuit

2.2剂量探测及接口电路

在设计中，剂量探测器采用盖革计数管，选用高精度高稳定性的高压模块为计数管提供其正常工作的电压。计数信号由计数管阴极取出，经滤波隔离甄别之后送至施密特触发器4528进行信号整形处理，最后计数脉冲由单片机收集处理。如图3所示。

从电路中我们可以看出，阴极信号需要经过阻容滤波处理，信号放大整形之后才可被采集处理。计数管阴极信号输出不超过10V。

图3　计数管阴极信号取出电路Fig 3.Counter cathode signal circuit

3　系统软件设计

3.1FreeRTOS在PIC24上的移植

FreeRTOS是一款轻量级的操作系统，主要功能包括［3］：任务管理、内存管理、时间管理、消息队列、信号量等，具备小系统运行的基本要素。系统运行过程中，采用优先级调度算法，任务根据级别被划分为不同的优先级，处于就绪态的、优先级最高的任务总是被优先运行。同时利用轮换调度算法，对相同的优先级的任务进行管理，在没有更高优先级任务就绪的情况下，同一优先级的任务共享CPU的使用时间。

FreeRTOS支持MICROCHIP公司的芯片PIC24系列芯片，所以PIC24FJ128GA106在移植FreeRTOS时，可以根据官方函数库做少许修改即可实现基本运行，并通过添加任务，修改优先级实现多任务的实时操作。在移植过程中主要修改portmacro.h、FreeRTOSConfig.h和list.c三个文件，主要完成对数据类型的定义、设置处理器频率、心跳次数、递归互斥功能、计数器型信号量功能、改变任务优先级、协程公用堆栈等。

3.2任务的创建与调度

在头文件task.h中，portBASE_TYPE xTaskCreate函数负责任务的创建，实际上，任务是一个死循环，即永远不会退出的C函数。在该函数中主要完成对任务名、栈空间和优先级等进行基本设置，一般优先级的取值范围可以从最低优先级0到最高优先级(configMAX_PRIORITIES-1)。

4　结语

本文详细介绍了以PIC24FJ128GA106单片机为主控制器，嵌入FreeRTOS实时操作系统实现射线剂量的实时监测设计。该设计使系统的硬件得到简化，且便于系统改进升级，以及外设的扩展。同时，嵌入了实时操作系统FreeRTOS，使系统运行更加稳定，实时性更强，简化了编程。该设计满足了人们对实时性、可靠性要求，对放射源等射线装置的安全利用提供了一定的保障。

［1］宋华鲁，闫银发，张世福，等.基于STM32和FreeRTOS的嵌入式太阳能干燥实时监测和控制系统设计［J］.现代电子技术，2013，36（23）：103-109.

［2］吕成兴，刘军礼，刘波，等.基于Contex-M3和FreeRTOS的数据采集系统设计［J］．中国水运，2011，11（12）：86-87.

［3］BARRY R..Using the FreeRTOS real time kernel［EB/OL］.（2011-01-08）［2015-04-23］.http://www.FreeRTOS.org/Documenttation.

Design of real?time monitoring system for radiation dose based on PIC and FreeRTOS

HOUYue-xin1,2,XIAODan1,2,YANGBin1,LI Gang1,LI Yan1
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150010,China;
2.Institute ofAdvanced Technology,HeilongjiangAcademyofSciences,Harbin 150020,China)

Asystemofdata acquisition and remote wireless transmission based on PICkernel and embedded FreeRTOSwas designed,in order to meet the needs ofreal?time monitoring system for radiation dose.The related hardware circuits were designed by using PIC24FJ128GA106 micro controller which consisted of PIC24 core and ME3000.It achieved management of hardware resources and schedule of some tasks through transplant FreeRTOS.This system simplified the complexity of hardware design,optimized software performance,improved reliability of the systemand reduced costs.

PIC;radiation dose;FreeRTOS;real-time

TP277

A

1674-8646（2015）09-0042-02

2015-06-25

侯跃新（1960-），男，黑龙江哈尔滨人，研究员，学士，从事核探测及核电子学研究。