基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

葉偉慧

（廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院 湛江 524088）

1 引言

原子是由原子核和電子組成的，放射性原子核自發(fā)地放射α粒子而發(fā)生α衰變，直到退激或級(jí)聯(lián)退激到基態(tài)，產(chǎn)生伽馬射線，伽馬射線具有不同的激發(fā)能級(jí)，采用伽馬能譜儀能得到一系列線狀的、不連續(xù)的γ能譜，通過(guò)γ能譜的測(cè)定能實(shí)現(xiàn)對(duì)放射性核素的種類及含量的鑒定，因此設(shè)計(jì)伽馬能譜儀在放射性同位素探測(cè)、地質(zhì)勘探和沉積巖分析等領(lǐng)域都具有較高的應(yīng)用價(jià)值[1]。伽馬能譜具有光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，γ射線的全部能量能有效反射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向，可以通過(guò)LCD顯示器進(jìn)行伽馬能譜的液晶顯示和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬射線的可視化探測(cè)和計(jì)算機(jī)視覺分析［2～4］，伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)是一種能將伽馬射線轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)后按能量計(jì)數(shù)進(jìn)行能譜圖繪制的顯示器。傳統(tǒng)的伽馬能譜LCD顯示設(shè)計(jì)中，由于受到自然伽馬放射性能量譜偏移和基線道址失穩(wěn)等因素的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生基線漂移和LCD顯示失真，需要進(jìn)行伽馬能譜的LCD顯示優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)此，本文提出一種基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，首先進(jìn)行了LCD顯示系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述，然后進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，最后進(jìn)行LCD顯示系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)試分析，展示了該系統(tǒng)的可靠性能。

2 伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

2.1 總體設(shè)計(jì)思想及外圍器件選擇

為了實(shí)現(xiàn)基于嵌入式VXI總線技術(shù)的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析和功能指標(biāo)描述，采用實(shí)時(shí)VXI總線技術(shù)方法進(jìn)行伽馬能譜的總線數(shù)據(jù)采集，伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)建立在對(duì)伽馬能譜探測(cè)信息的特征采樣和總線控制的基礎(chǔ)上，采用實(shí)時(shí)觸發(fā)器PXI-6713進(jìn)行伽馬能譜探測(cè)信息采集，采用標(biāo)準(zhǔn)的VPP儀器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行總線驅(qū)動(dòng)，伽馬能譜探測(cè)信息數(shù)據(jù)采集的功能模塊包括信息監(jiān)測(cè)探頭、接收天線、控制器等[5]。采用HPE1433A高速數(shù)據(jù)捕獲總線模塊記錄伽馬能譜探測(cè)信息并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)硬盤中，伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的觸發(fā)器PXI-6713采用標(biāo)準(zhǔn)的VPP儀器驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)中每個(gè)道址逐步累積起不同的計(jì)數(shù)，在LCD液晶熒光屏上進(jìn)行伽馬射線的脈沖幅度譜分析，測(cè)試輸出的能譜數(shù)據(jù)采用內(nèi)核控制寄存到HPE1562D/E SCSI數(shù)據(jù)硬盤，閃爍探頭輸出的電脈沖信號(hào)通過(guò)電容耦合進(jìn)入伽馬能譜儀，采用小型化、低功耗和全波采樣的ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核構(gòu)建傳感器模塊，通過(guò)計(jì)數(shù)器模塊分配到各PXI-6713模塊中，在LCD顯示器輸出測(cè)譜信息［6～8］，伽馬能譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伽馬能譜儀的功能模塊結(jié)構(gòu)

伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)觸發(fā)總線采用PXI實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的中斷脈沖，使用S3C2440自帶的AD系統(tǒng)進(jìn)行伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的6通道同步采樣設(shè)計(jì)，通過(guò)AD控制電路、ARM主控電路集成總線RTSI0～7數(shù)據(jù)回放模塊。根據(jù)上述分析，得到本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜總線數(shù)據(jù)流傳輸流程如圖2所示。

圖2 嵌入式VXI總線的伽馬能譜總線數(shù)據(jù)流傳輸流程

2.2 系統(tǒng)的功能模塊分析及技術(shù)指標(biāo)描述

伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，伽馬能譜的采集和總線傳輸是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，伽馬能譜的采樣頻率不低于15MHz,LCD系統(tǒng)顯示的分辨率不低于8位，功耗盡量小，采用單5X供電，輸入范圍為3Vpp，功耗280mW，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)字信號(hào)處理器選用ADSP21160處理器作為核心控制芯片，LCD顯示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括時(shí)鐘電路、AD電路、復(fù)位電路、伽馬能譜基線恢復(fù)電路和程序加載電路等，LCD顯示系統(tǒng)的內(nèi)核開關(guān)電源的開關(guān)頻率在0～1 M Hz間調(diào)節(jié)，根據(jù)LCD顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能技術(shù)指標(biāo)描述主要有：

1）D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)0～4.095V，放大量為80dB，D/A轉(zhuǎn)換速率＞200kHz;

2）伽馬能譜儀LCD顯示器的模擬預(yù)處理機(jī)動(dòng)態(tài)范圍：-40dB～+40dB，最大倍頻數(shù)為64倍；

3）自動(dòng)增益控制經(jīng)24倍頻后形成600Hz的內(nèi)核頻率,通過(guò)PXI總線橋接PXI-6713模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)采用可編程功能口與PFI0～9進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制;

4）外部I/O設(shè)備包括A/D轉(zhuǎn)換器AD7864兩片，輸出信號(hào)幅度±20V。LCD顯示系統(tǒng)的AD輸入電壓滿足：

AVSS-0.3V＜VINA＜AVDD+0.3V

AVSS-0.3V＜VINB＜AVDD+0.3V

5）系統(tǒng)外部輸入電壓±12V，能與外部SRAM通信，采樣通道數(shù)由DSP數(shù)據(jù)總線dspD[3：0]控制，根據(jù)各放大器芯片的放大特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，控制寄存器模塊從24位地址的EEPROM主機(jī)引導(dǎo)，伽馬能譜的放大控制D/A轉(zhuǎn)換具有32位地址/數(shù)據(jù)控制總線。

6）AD轉(zhuǎn)換器采樣通道為8通道同步、異步輸入，采樣時(shí)鐘≥150 Hz。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過(guò)PXI總線橋接PXI-6713模塊與PC機(jī)進(jìn)行通信，伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)采用可編程功能口與PFI0～9進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，實(shí)現(xiàn)總線RTSI0～7的顯示系統(tǒng)接入，進(jìn)行LCD顯示系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)模型分析，進(jìn)行伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于嵌入式技術(shù)進(jìn)行伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括了時(shí)鐘電路、AD電路、復(fù)位電路、伽馬能譜基線恢復(fù)電路和程序加載電路。各模塊設(shè)計(jì)具體描述如下：

1）時(shí)鐘電路。伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是實(shí)現(xiàn)LCD顯示系統(tǒng)對(duì)伽馬能譜數(shù)據(jù)的時(shí)鐘中斷控制，通過(guò)低電壓復(fù)位以及看門狗復(fù)位構(gòu)建時(shí)鐘控制模塊，采用并行外設(shè)接口(PPI)構(gòu)建伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的時(shí)鐘中斷接口，它是半雙工形式，支持8個(gè)多頻的LCD液晶顯示的AD數(shù)據(jù)采樣[9]，伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)具有低功耗性能，功耗主要來(lái)自靜態(tài)功耗Pspc和動(dòng)態(tài)功耗Pdpc，即

其中：Vdd表示伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的工作的額定電壓值，單位為V；Idd表示射頻前端的電流值，單位A；ITC表示伽馬能譜采集脈沖電流的均值；CT表示晶振電路的負(fù)載電容；fp表示A/D芯片的采樣時(shí)鐘頻率；α表示在一個(gè)周期內(nèi)MOS電路的切換概率因子，其取值為0≤α≤1。

根據(jù)上述功耗需求，使用有源晶振ADSP-BF537作為時(shí)鐘電路和控制芯片，得到時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

2）AD電路。為了減少數(shù)字電路和模擬電路之間的相互干擾，提高LCD顯示的穩(wěn)定性，需要進(jìn)行AD電路設(shè)計(jì)，LCD顯示模塊的AD電路模擬電源采用模擬5V供電，伽馬能譜探測(cè)控制芯片采用VCA810控制AD采樣的電壓，選擇了MAXIM公司的5階開關(guān)電容對(duì)端口進(jìn)行分配，AD電路的截止頻率為

設(shè)置隔直通交的RC濾波電路將TRF7960的I/O_0～I(xiàn)/O_7作為伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)的并口輸入輸出端，采用嵌入式VXI總線技術(shù)進(jìn)行伽馬能譜AD采樣和總線數(shù)據(jù)傳輸，得到AD電路接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)AD電路接口設(shè)計(jì)

3）復(fù)位電路。復(fù)位電路執(zhí)行伽馬能譜的液晶顯示上電加載，選用TMS320VC5409A邏輯與譯碼控制進(jìn)行低電壓復(fù)位以及看門狗復(fù)位［10］，復(fù)位電路將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，當(dāng)電源VCC上電時(shí)，OUT在上電時(shí)會(huì)有一段時(shí)間為低電平，復(fù)位有效。具有VCC檢測(cè)功能，當(dāng)VCC不足3.3V時(shí)，引入高頻干擾，看門狗輸出將變?yōu)榈碗娖?。?fù)位電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

4）伽馬能譜基線恢復(fù)電路?；€恢復(fù)電路是實(shí)現(xiàn)伽馬能譜LCD顯示的基線漂移抑制功能，采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進(jìn)行系統(tǒng)譜基線恢復(fù)電路設(shè)計(jì)和邏輯控制，構(gòu)建伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理LCD控制器，采用嵌入式VXI總線技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波和檢測(cè)，控制管腳包括SENCE和VREF，用于控制參考電壓和輸入范圍[11]，可進(jìn)行16位數(shù)據(jù)的輸入輸出，PPI由1個(gè)專用時(shí)鐘引腳、3個(gè)幀同步引腳以及16個(gè)復(fù)用的數(shù)據(jù)引腳組成，與AD/DA轉(zhuǎn)換器、視頻編碼/解碼器及其他通用外設(shè)直接相連，伽馬能譜基線恢復(fù)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

5）LCD顯示模塊的接口程序設(shè)計(jì)及程序加載電路。伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的程序加載電路采用并行外設(shè)接口(PPI)，采用嵌入式VXI總線技術(shù)進(jìn)行伽馬能譜采樣和總線數(shù)據(jù)傳輸，EPM7128AET100需要外接2.5V的參考電壓，開始AD轉(zhuǎn)換，讀通道A的伽馬能譜儀中的能譜數(shù)據(jù)，當(dāng)A Bˉ為低時(shí)，轉(zhuǎn)換B通道，可開始下一次AD轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)加載的I2CEEPROM執(zhí)行內(nèi)部地址計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)伽馬能譜的幀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回放，程序加載電路如圖7所示。

LCD液晶顯示器接口為DM74LS245為三態(tài)八位總線轉(zhuǎn)換器，通過(guò)JTAG接口訪問(wèn)CPU的內(nèi)部寄存器，通過(guò)串行EEPROM進(jìn)行配置校驗(yàn)，GPRS模塊選用Siemens公司的MC35i塊，內(nèi)核電源通過(guò)10 μF和0.1μF電容濾波，以減少電源噪聲，STM32通過(guò)串口發(fā)生AT命令，液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)芯片接口如圖8所示。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，完成了基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)的硬件集成設(shè)計(jì)，在上述進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)和聯(lián)調(diào)調(diào)試。

4 軟件開發(fā)及系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

對(duì)上述伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)和系統(tǒng)調(diào)試分析，系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺(tái)是嵌入式ARM CortexTM-M09，借 助 于 LabWindows/CVI，C/C++開發(fā)工具進(jìn)行伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)的嵌入式程序加載和軟件設(shè)計(jì)[12～15]，在嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)伽馬能譜儀LCD顯示系統(tǒng)的Linux內(nèi)核、系統(tǒng)程序、shell以及應(yīng)用程序。通過(guò)從DOUTA串行接口配置PPI的操作模式，實(shí)現(xiàn)程序加載和LCD顯示器接口的兼容性數(shù)模轉(zhuǎn)換，設(shè)定SPORT0_TCLKDIV為4，即串口發(fā)送時(shí)鐘為12MHz，通過(guò)VIX總線技術(shù)引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)上電時(shí)初始化和能譜顯示數(shù)據(jù)回放，在嵌入式系統(tǒng)下觸發(fā)AD7656的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的打開和關(guān)閉，最后編譯程序，得到以LDR為后綴的加載文件，燒寫EEPROM，通過(guò)以上調(diào)試，通過(guò)JTAG掃描確定DSP是否工作正常，打開Visual DSP++自帶的ICETest掃描JTAG口，得到伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)輸出的晶振波形如圖9所示。

圖6 伽馬能譜基線恢復(fù)電路設(shè)計(jì)

圖7 程序加載電路

由圖9可知，晶振輸出完全正常，掃描通過(guò)后，配置Visual DSP，進(jìn)行硬件仿真，設(shè)計(jì)光電倍增管LCD顯示器，采集伽馬能譜儀內(nèi)存中的4000個(gè)采集數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅度，設(shè)置兩路D/A同時(shí)輸出最大值5V，脈沖寬度為2μs，得到伽馬能譜測(cè)試波形的LCD顯示輸出結(jié)果如圖10所示。成電路設(shè)計(jì)，采用嵌入式VXI總線技術(shù)進(jìn)行伽馬能譜采樣和總線數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行LCD顯示模塊的接口程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)伽馬能譜的基線漂移抑制和幀數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回放，該伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)脈沖寬度為2μs的伽馬能譜放射源測(cè)量，在光電倍增管LCD顯示器上實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬能譜測(cè)量的可視化分析和信號(hào)評(píng)估，性能可靠穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

圖8 伽馬能譜LCD液晶顯示接口設(shè)計(jì)

圖9 伽馬能譜的晶振波形輸出

圖10 伽馬能譜測(cè)試波形LCD顯示輸出

分析上述結(jié)果得知，采用本文設(shè)計(jì)的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)進(jìn)行伽馬能譜的A/D采樣和輸出顯示，能有效實(shí)現(xiàn)基線漂移抑制和伽馬能譜幀數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回放，對(duì)脈沖寬度為2μs的伽馬能譜放射源測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬能譜測(cè)量的可視化分析和信號(hào)波形分析，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式VXI總線的伽馬能譜LCD顯示系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)伽馬能譜LCD顯示和伽馬能譜探測(cè)波形的輸出可視化分析，設(shè)計(jì)中采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進(jìn)行系統(tǒng)集