基于FPGA的T i me-To-Count 辐射测量仪的系统研究

营口世纪电子仪器有限公司 王 洋 侯广军 高 健

基于FPGA的T i me-To-Count 辐射测量仪的系统研究

营口世纪电子仪器有限公司 王 洋 侯广军 高 健

本文以FPGA EP1C12F256i7芯片为核心，根据Time-To--Count辐射测量方法学习探讨。使用其核心器件，对于Time-To-Count技术使用方法，利用EP1C12F256i7芯片的计数器设置控制硬件逻辑引脚功能，解决了Gm管较长死时间问题，导致测量范围误差较大，本文论证FPGA EP1C12F256i7处理器芯片的time-to-count 可以提高GM计数管的测量范围与测量精度。

FPGA；Time-To-Count；盖革一弥勒计数管；辐射测量

1.Time-To-Count辐射测量仪的系统组成

为解决辐射测量仪测试的稳定性，系统由fpga EP1C12F256i7核心板、 Time-To-Count控制板及辐射探测测器七个主要部分组成。辐射部件组成如图1。EP1C12F256i7控制板上采用fpga处理器芯片、复位电路、电源电路、串口电路、IC EEROM电路 、2556X64液晶接口电路、键盘接口电路等。辐射测量仪对于脉冲信号的处理及对高压电源、液晶显示、键盘的控制，fpga EP1C12F256i7控制板是Time-To-Count辐射测量仪采集Gm最关键的部分。主要功能实现対Time-To-Count系统的计数前时间精确计算、控制高压电源的通断、対于系统数据采集并处理，通过io口及控制oled、键盘处理。利用电源转换芯片提供提供高压电源的DC/DC升压变压器输入，使高压电源模块稳定。

图1 辐射仪各部件关系

（1）电源电路

辐射测量仪的电源是LM2576电源芯片， 前端用达林顿驱动管，瞬太抑制二极管，自恢复保险丝组成保护电路。通过外接+24V-40V滤波后电压稳压芯片LM2575为提供+5V的电源。由于FPGA EP1C12F256i7需要3.3V的电源供电，所以我采用台湾生产AMS1117-3. 3芯片，设计中增加10uh电感，可加少量的滤披电容和限制瞬时的电流，把LM2575输出出来5v电源供AMS1117-3.3 V的电源，AMS1117-3. 3是台湾公司生产的LDO芯片，特点是输出电流大约1A，内部集成过热保护和限流电路，设计中其输出端需要一个100uF的钽电容来改善瞬态变化和稳定性 。

（2）系统时钟电路

FPGA EP1C12F256i7控制板可使用外部品振成外部时钟源， 内部电路可调整系统时钟，提供系统运行速度，此Time-To-Count辐射使的控制板板使用了外部50MH品振。可以将测量得到的数据通过485总线/232串口发送给上位机(PC) ，利用vb，vc编写上位机标定程序，利用该时钟电路使串口波特率更精确，通讯稳定。

（3）JTAG接口电路

本文的FPGA EP1C12F256i7控制板来用ALTERA公司提出的标雄i20脚JTAG仿真调試接口，JTAG信号定义及与EP1C12F256i7的连接。根据 EP1C12F256i7的应用手册说明，在TDO，TCK，TDI引脚接一个1KΩ的下拉电阻，JTAG接口电路的作用使IC芯片固化，通过边界扫描便可以被测试。在此基础上增加限流电阻保护JTAG口的稳定性，避免芯片烧毁。

（4）oled接口电路

选用OLED模块，有spi串行多种接口方式.其显示分辨率为256X64，方显示256X64显示数据RAM，可完成图形.数字 文字显示，具有低电压低功耗的特点。 简单的驱动电路既可驱动发光、耐低温-40°c等特性，在所以本系统将利用5个IO来模拟八位数据/地址总线，OLED_WR#_C来产生LCD的读信号，用OLED_DC#_C来产生LCD数据/地址控制信号。OLED_WR#_C来至控制片选信号，OLED_ret#_C引脚复位信号，接入IO +3.3V0电源作为 VCC，I/0口接+3.3V器件的数字理辑电路 。

（5）键盘接口电路

本辐射测量仪设置8个独立独键，分別为Key1- Key8，所示由于IO口(Key1_C- Key8_C，)作为输入时，内部无上拉电阻，使用R200至R207等8个上拉电阻， 这个电路的工作原理是采用程序扫描的方式检测某个按键状态。比如将Px口的4位全置为低电平，这时如果没有任何按键按下的话，从Py口读回的4位应全为高，而如果有某一键按下，则对应按下键的那一列的位读回值将为低。这样就能知道按下键所在的列；接着确定按键所处行，把Py口的输入值作为输出，Px全部置高并读取输入，就能得到按键所在行位置，于是就确定了所按按键的行列位置。

（6）G-M探测器连接电路

盖革-弥勒计数管(GM管)也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质，或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体(氖、氦)、卤族气体。特点是工作电压低。本电路选用了J305βγ型玻璃计数管，其测量范为的10µgy/ h到50gy/h，工作电压为在+360～+430v，我们选用430V 。 选择天津生产的高压DC/DC 模块，由系统接入5v，转换出430v高压提供计数管。

当脉冲通过RC电压后送到高压处理模块HV引脚高压送入驱动模块，驱动模块输出为负短形脉冲， 接入FPGA处理器的P0.4(m_t)脚 ，此引脚为的定时器0捕获输入通道1 。FPGA精准判断来至m_t引脚的设是否为下降沿触发， 通过定时器0捕获输入通道1产生的中断来调用中断处理程序，计算计数前时间 ，不会受计数管死时间影响。

2.结语

本文以 FPGA为平台采用了Time-To-Count方法对辐射射线测量进行设计，该方法的应用提高了辐射仪的量程、 人机操作也简单。也可以利用上位机电脑对仪器进行标定，改变了原多GM管线性补偿计算方法的带来误差，提高 GM计数管的量程。运用Time-To-Count测量方法的使用，将J305计数管的测量范围提高了100倍，刻服了GM管死时间的影响，最终达到提高了测量范围及精度的目的。

[l]绍晖,谈伟飞等．一种新的-G-M计数管Time-To-Count测量方法[J]．核电子学与探测技术,2002,22(3)： 2ll-2l4．

[2]刘志强,马红光,马文彦等．Time-To-Count技术测量辐射强度的原理[J]．核电子学与探测技本,2006,26(l)：4l-44．

[3]杨永刚等．基于ARM的Time-To-Count辐射测量仪的研究[D]．成都理工大学,2008．

王洋（1983—），男，辽宁营口人，大学本科，工程师，研究方向：电子技术。

侯广军（1975—），男，辽宁营口人，大学专科，工程师，研究方向：电子技术。

高健（1988—），男，辽宁营口人，大学本科，助理工程师，研究方向：电子技术。