基于AVR单片机与USB接口的多道谱仪的设计

中国原子能科学研究院　吉晓梅　刘志珍　郭星辰　李玮瑛　张培旭

基于AVR单片机与USB接口的多道谱仪的设计

中国原子能科学研究院吉晓梅刘志珍郭星辰李玮瑛张培旭

介绍了一种基于AVR单片机和USB接口的多道谱仪，采用AVR单片机ATmega128作为主控制器，通过USB专用芯片CH372进行数据传输，该谱仪采集速度快，计数率高，更换不同的探测器可以实现不同能量范围的谱数据采集。

数据采集；单片机；USB

随着核科学技术的发展，需要对核辐射及放射性核素所携带的信息进行测量和分析研究，以便能监测各种辐射能量和辐射剂量，为核设施的安全运行提供数据并防止放射性物质对人员的伤害。多道谱仪是获取能谱数据的重要仪器，传统的多道谱仪多采用NIM插件，不易使用。随着单片机技术的飞速发展，便携、智能核仪器已成为放射性测量仪器发展的一个主导方向。

1　系统构成与工作原理

系统主要由探测器，多道谱仪和上位机分析软件构成。其中多道谱仪由电源电路、高压模块、主放大器、数据采集电路、USB接口电路构成。系统的工作原理是将探测器输出的脉冲信号经放大器放大成型，然后由多道谱仪区分出不同道数的脉冲数量，并将数据通过USB送给上位机，上位机软件通过数据分析处理从而得到探测器所探测到的放射性元素的谱线。系统的硬件组成示意图如图1所示。

图1　系统硬件结构组成示意图

2　硬件设计

硬件设计主要包括了数据采集电路和USB接口电路的设计，数据采集电路主要由单片机控制在阈值范围内的信号通过峰值甄别保持电路，由A/D转换电路进行模数转换后进行存储，然后将数据通过USB接口电路传输给上位机。

2.1数据采集电路

单片机采用的是AVR系列功能很强的ATMEGA128，其运用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。其机器周期为1个时钟周期，绝大多数的指令为单周期指令，工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能，即每条指令的执行时间仅为62.5ns。

通过ATMEGA128自带的串行通讯接口（SPI）连接控制数字电位器，实现了阈值改变的自动化，即只需通过上位机软件的操作就能改变阈值。由于ATMEGA128内部仅含有4K的数据存储器，数据存储量较小，所以扩展了一片外部数据存储器。

正是因为ATMEGA128有丰富的外围接口，加快了开发的速度。

由于探测器输出的信号经过放大器的整形放大后，峰值宽度较窄，而模拟峰值信号要转换成数字信号需要通过A/D转换电路，转换电路需要一定的时间来完成转换，所以在转换期间要保证模拟峰值信号的稳定，必须将峰值展宽，以满足ADC采样量化。信号通过阈值筛选后分为两路，一路给采保电路；另外一路与电压比较器相连。峰值到达后，提供一个中断信号给ATMEGA128；然后启动AD转换器进行一次模数转换后将数据存储到外部存储器中。

2.2USB接口电路

USB接口电路采用南京沁恒公司的CH372芯片。在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便的挂接到单片机的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端单片机通讯如同读写文件。单片机通过8位并口对CH372进行控制读写，CH372工作于内置固件模式，接收到单片机发送的数据或者给单片机发送完数据后就以中断的形式通知单片机，单片机则通过读取中断标志位来判断中断类型，然后做出相应的控制处理。

3　USB接口软件设计

CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有省事的内置固件模式和灵活的外置固件模式。在内置固件模式下，CH372自动处理默认端点0的所有事务，端点2的上传端点作为批量数据发送端点，端点2下传端点作为批量数据接收端点，本地端计算机只要负责数据交换，所以单片机程序非常简洁。

程序发生中断时，如果是USB通讯中断则跳转到USB中断处理程序，先获取中断状态并取消中断请求，然后判断是端点下传成功（接收上位机下传的参数设置命令）还是端点上传成功（下位机上传数据给上位机）。若是端点下传成功，先从USB中断的端点缓冲区读取数据块，并释放缓冲区，判断读取到数据块的首位是什么命令然后进行处理。若是端点上传成功即下位机上传给上位机的数据上传成功，再上传一组数据后释放当前USB缓冲区，中断返回。程序流程图见图2。

图2　USB中断程序流程图

4　采用55Fe源对谱仪进行能量分辨率标定

4.1谱仪参数

谱仪通道数为1024道，放大倍数为200倍、下阈值为30mV，上阈值5V。

4.2谱图

图3为测得的55Fe能量谱图，从55Fe的道址-计数图中（左图）可以直观的看到最明显的两个峰。进行能量刻度后（右图），两个峰位对应的能量分别为5.9keV和6.4keV，在能量-计数率图中，对5.9keV能量峰进行能量分辨率计算，得出能量分辨率为2.2%，即128.1eV。

图3　55Fe能量谱图

5　结论

多道谱仪利用ATMEGA128进行控制，底层软件用于数据的采集和处理，所有数据通过USB传送给上位机，不仅采集速率高、传输速度快、还具有可扩展，可靠性高等优点，采用55Fe源测得该谱仪的能量分辨率为2.2%，即128.1eV

［1］王经瑾，范天民，钱永庚，等.核电子学［M］.原子能出版社，1983.

［2］周志成.核电子学基础［M］.原子能出版社，1986.

［3］吴治华.原子核物理实验方法［M］.高等教育出版社，1997.

［4］CH372手册［Z］.南京沁恒电子有限公司

吉晓梅（1981－），女，吉林白山人，大学本科，工程师，研究方向：核电子技术应用。