基于無線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀研制

彭曉光　付廣　蔡曉波　王倞豪

摘要：隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)進步的飛速發(fā)展，無線電通信技術(shù)獲得了長足進步，在諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。便攜式伽瑪能譜儀主要對野外地質(zhì)進行勘測，傳統(tǒng)的伽瑪能譜儀存在諸多缺陷，直接影響了實際的測量效果?，F(xiàn)簡要分析基于無線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀的研制方法，力求為今后的相關(guān)工作提供可靠的參照。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；便攜式伽瑪能譜儀；藍牙技術(shù)；掌上電腦

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0043-02

伽瑪能譜儀屬于一類重點探測天然與人工不穩(wěn)定核素的設(shè)備，在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘測、原子核物理學(xué)以及粒子物理學(xué)等方面得到了大量的應(yīng)用，測量效果顯著。由于其主要在野外環(huán)境下工作，對使用便捷性和節(jié)能性等方面設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相對嚴(yán)格。因此，可以將無線通信技術(shù)應(yīng)用到伽瑪能譜儀中，獲得了較好的效果。以下為具體的研制方法。

1 基于無線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀研制理念

1.1 數(shù)字化伽瑪能譜儀探頭

該研究采用先進的數(shù)字伽瑪能譜儀設(shè)計理念，把高電壓電源、前置電路系統(tǒng)、主放大器、脈沖信號峰值保持電爐、多道脈沖幅度分析器、多道數(shù)據(jù)緩存器和全球定位系統(tǒng)模塊加裝到伽瑪能譜儀探頭之中。最后得到數(shù)字化、一體化的伽瑪能譜儀探頭。這種伽瑪能譜儀探頭傳輸?shù)男盘柌皇禽^弱的脈沖信號，卻是一類通過單片機控制系統(tǒng)處理之后的數(shù)字化信號。此類數(shù)字信號通過單片機串口傳輸?shù)娇梢灾苯影l(fā)布指令的計算機中。其結(jié)構(gòu)設(shè)計方式提升了伽瑪能譜儀抵御干擾的能力，并便于能譜儀探頭與主機的信號無線傳輸。與此同時，在伽瑪能譜儀探頭中安裝了全球定位系統(tǒng)模塊，對檢測點進行定位，并且采集數(shù)據(jù)，借助單片機控制系統(tǒng)傳輸?shù)娇梢韵逻_操作指令的計算機中。利用計算機的譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測量點的定位數(shù)據(jù)和測量信息儲存在相同的文件內(nèi)，滿足了測量點定位要求。

1.2 信號無線傳輸

最近些年，無線通信協(xié)議與相關(guān)的無線通信產(chǎn)品快速發(fā)展，且獲得了廣泛的應(yīng)用。短距無線通信上，藍牙技術(shù)憑借其經(jīng)濟性、高速性、穿透性、全面性以及信號穩(wěn)定性等優(yōu)勢獲得了業(yè)內(nèi)的肯定和大量的應(yīng)用。藍牙技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品在個人計算機、手提電腦、掌上電腦，、手機、汽車電子產(chǎn)品、家用電器產(chǎn)品以及工業(yè)機械設(shè)備等領(lǐng)域中獲得了大量的應(yīng)用。本文將重慶金甌百米藍牙內(nèi)嵌模塊安裝到伽瑪能譜儀中[1]，滿足了能譜儀探頭與主機彼此的無線通信功能。其屬于一類線纜替代設(shè)計，此類藍牙內(nèi)嵌模塊能夠和單片機控制器直接相連，應(yīng)用即插即用模式，使儀器彼此之間的無線信號傳輸變得更加透明。在藍牙內(nèi)嵌模塊和系統(tǒng)連接無誤的情況下，且在通電啟動后，主從設(shè)備就會自主相連，同時對接入設(shè)備進行辨別和記憶。此后，用戶設(shè)備能夠如同應(yīng)用一條串口線的方式應(yīng)用該模塊。能譜探頭之中的單片機控制系統(tǒng)借助串口和內(nèi)嵌模塊實現(xiàn)連接，單片機控制系統(tǒng)串口傳輸與收到的信號借助藍牙模塊功能轉(zhuǎn)化成藍牙通信協(xié)議和對應(yīng)設(shè)備實行信息交換。所以，要求主機設(shè)備必須要擁有藍牙數(shù)據(jù)傳輸功能。

當(dāng)前，具備圖像顯示與信息處理能力的藍牙系統(tǒng)設(shè)備為：手提電腦和掌上電腦。其中，手提電腦的功耗很高，通常情況下，持續(xù)運行時間為5小時左右，很難達到野外測量的長時間持續(xù)測量的標(biāo)準(zhǔn)需求。而掌上電腦在充滿電的情況下，可以進行野外持續(xù)進行測量工作幾天之久。且掌上電腦的體積更小，也更加便攜。野外測量移動過程中，能夠把掌上電腦裝進口袋，非常便捷。此外，掌上電腦應(yīng)用Windows Mobile（WM）系統(tǒng)，這種操作系統(tǒng)是微軟針對嵌入條件進行研發(fā)的，其具備搶先式、多任務(wù)和多線程的系統(tǒng)，能夠以這種系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，使用Windows操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序編程接口函數(shù)功能，研發(fā)出針對伽瑪能譜儀的測量軟件系統(tǒng)。所以，應(yīng)用具備藍牙功能的掌上電腦為能譜儀的主機，應(yīng)用藍牙傳輸協(xié)議和能譜探頭之間進行信號交換。這種設(shè)計理念下的便攜式伽瑪能譜儀滿足了主機與能譜儀探頭之間的分離要求。與此同時，主機能夠加裝第三方研發(fā)的信號數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在進行野外實地數(shù)據(jù)測量和信息處理的過程中，變得更加便捷，且數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果更加精確可靠[2]。

1.3 便攜式伽瑪能譜儀軟件系統(tǒng)研發(fā)

應(yīng)用軟件研發(fā)能夠分成譜數(shù)據(jù)采集、設(shè)備譜線的處理、測量數(shù)據(jù)分析以及文件操作幾方面。因掌上電腦能夠提供藍牙虛擬串口功能（這種藍牙虛擬串口是尋優(yōu)模型系統(tǒng)），如何和別的藍牙模塊（此處僅代表伽瑪能譜儀的探頭）相連，則能夠應(yīng)用串口模式實行藍牙通信，并得到能譜信號數(shù)據(jù)。通過WM系統(tǒng)中的圖形設(shè)備端口，能夠?qū)嵭凶V線處理，在Windows操作系統(tǒng)下，進行譜數(shù)據(jù)的寫入和讀取也變得非常方便。在測量數(shù)據(jù)的分析方面，可應(yīng)用原有的方式進行譜線處理，與標(biāo)定方程相結(jié)合，計算出野外測點中的放射源理論值。

2 便攜式伽瑪能譜儀各項技術(shù)指標(biāo)檢測

2.1 便攜式伽瑪能譜儀的功耗檢測

原有的便攜式伽瑪能譜儀主要應(yīng)用電池進行電力供應(yīng)，能譜儀的功耗通常為主機處理系統(tǒng)與能譜儀探頭的運行功耗兩方面。所以，便攜式伽瑪能譜儀的功耗很高，通常持續(xù)運行時間≤8h，要頻繁地換電池或者進行充電。而本文研制的便攜式伽瑪能譜儀主機應(yīng)用掌上電腦，主要應(yīng)用生產(chǎn)廠家配備的鋰電池進行電力供應(yīng)，能夠不間斷運行3天到5天。通過實際的檢測，數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭的運行電流大約為180毫安，應(yīng)用可充電的12Ah兩節(jié)鋰電池進行電力供應(yīng)。在滿電情況下不間斷運行時間>60h，很大程度提升了野外不間斷測量的時間，進而提升了測量效率。

2.2 便攜式伽瑪能譜儀的通信距離和抗干擾能力檢測

藍牙內(nèi)嵌模塊的通信距離通常小于10m，能夠有效在野外測量空曠地區(qū)中應(yīng)用。該研究中，在實驗室對便攜式伽瑪能譜儀進行檢測。實驗結(jié)果可以看出，沒有遮擋物的前提下，藍牙模塊的通訊距離為10m。把數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭放在房中，相隔一面墻的前提下，

通訊距離為6-7m之間，長時間檢測數(shù)據(jù)信號的傳輸無異常。藍牙內(nèi)嵌模塊主要應(yīng)用分散網(wǎng)絡(luò)、短包以及跳頻技術(shù)，可以進行點對點和點對多點的通訊連接。其主要運行在通用的2.4GHz ISM國際頻段之中，和正常工作生活應(yīng)用的各類設(shè)備之間無干擾影響。因此，這種便攜式伽瑪能譜儀的抗干擾性很高[3]。

2.3 便攜式伽瑪能譜儀的其他技術(shù)指標(biāo)檢測[4]

① 便攜式伽瑪能譜儀的能量分辨率：8%；② 便攜式伽瑪能譜儀的檢出限：鈾為1 ppm， 釷為1.8ppm，鉀為0.17%；③ 便攜式伽瑪能譜儀能量分析范疇：50keV -3MeV之間；④ 便攜式伽瑪能譜儀譜數(shù)據(jù)的存儲量隨著掌上電腦擴容的提升而提升；⑤ 便攜式伽瑪能譜儀的穩(wěn)定性：有大約8h的穩(wěn)定性，相對偏差不高于6%。

3 便攜式伽瑪能譜儀未來的升級和改進方案

便攜式伽瑪能譜儀的主機與探頭之間實現(xiàn)了分離、實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)信號的傳輸和接收、

實現(xiàn)了主機的微型化、實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的完善，使便攜式伽瑪能譜的野外測量變得更加便捷。這種設(shè)計理念下的便攜式伽瑪能譜儀也能夠在包含電磁干擾、高輻射和高放射性的檢測環(huán)境中應(yīng)用，降低或者避免了射線源對測量人員身體產(chǎn)生的放射損害。而由于電子通信科技的飛速進步，能譜儀依然要持續(xù)進行更新與完善，通常反映在如下幾點：第一，故障遠程判斷功能，需要在便攜式伽瑪能譜儀出現(xiàn)問題的情況下，在遠程控制中心實行遠程故障判斷與系統(tǒng)維護；第二，便攜式伽瑪能譜儀測量聯(lián)網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳送給數(shù)據(jù)處理部門，使其準(zhǔn)確把握實際測量場地鈾、釷和鉀的分布特性；第三，便攜式伽瑪能譜儀采集數(shù)據(jù)的深度處理功能，當(dāng)前時期，主機中的譜分析處理功能只可以對實際測量點的數(shù)據(jù)實行簡單的分析處理，通過WM系統(tǒng)系統(tǒng)，研發(fā)出能夠針對實際測量地區(qū)譜數(shù)據(jù)實行實時分析處理的軟件，能夠?qū)σ巴鉁y量工作進行實時指導(dǎo)[5]。

4 總結(jié)

綜上所述，將無線通信技術(shù)應(yīng)用到便攜式伽瑪能譜儀中，可以在保證各項基本測量功能的前提下，提升伽瑪能譜儀使用的便捷性，降低能耗，并且提升了數(shù)據(jù)處理能力。進而在野外勘測的過程中，切實提升了工作效率和勘測數(shù)據(jù)的精確性。因此，基于無線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀研制具備非常重要的意義。

參考文獻：

[1] 高志濱，樂仁昌，張鑫煌，等.伽瑪能譜儀遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2014（6）：2214-2217，2223.

[2] 胡致遠，宋洋洋，袁研根，等.微功率無線通信技術(shù)在電力線路中的適應(yīng)性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（8）：113-118.

[3] 王毅凡，周密，宋志慧.水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究[J].通信技術(shù)，2014（6）：589-594.

[4] 李苒，楊麗軍.無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢分析[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（5）：132-133.

[5] 刁彩萍.現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢探析[J].電子制作，2015（1）：161.