嵌入式系统/ARM技术中的USB便携式多道γ能谱仪的设计与实现
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2020-12-10
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的技术中的USB便携式多道便携式多道γ能谱仪的设计与实能谱仪的设计与实
现现
摘要：讨论了串行总线（USB）技术应用于便 携式多道γ能谱仪的可行性，并详细介绍了 系统的硬件、固件、
设备驱动程序以及应用程序的设计方法，最后给出了其性能测试结果。 关键词：USB γ能谱数据采集 WDM野外
地面γ能谱测量技术主要研究地壳岩石土壤中产生的能量范围约为30keV～3000keV的γ射线，这里面包含着轴、
钾等天然放射性核元素信息、核工程活动产生的大量人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互作用产生的相
关信息。而用于获取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研究课题，其功能是把从γ射线探测器得到的脉冲
信号转换为X-Y轴的能谱形式并显示出来（X轴代表能量，Y轴代表脉冲计数）。
摘要：摘要：讨论了串行总线（USB）技术应用于便 携式多道γ能谱仪的可行性，并详细介绍了 系统的硬件、固件、设备驱动程序
以及应用程序的设计方法，最后给出了其性能测试结果。
关键词：关键词：USB γ能谱数据采集 WDM
野外地面γ能谱测量技术主要研究地壳岩石土壤中产生的能量范围约为30keV～3000keV的γ射线，这里面包含着轴、钾等
天然放射性核元素信息、核工程活动产生的大量人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互作用产生的相关信息。而用于获
取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研究课题，其功能是把从γ射线探测器得到的脉冲信号转换为X-Y轴的能谱形式并
显示出来（X轴代表能量，Y轴代表脉冲计数）。
传统的多道γ能谱仪一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的标准模式。但其存在体积庞大、抗干扰能力差等缺
点，不适合于野外现场测量。为适应多道γ能谱仪智能化、微机化、便携化的实际需要，本设计采用笔记本电脑作为γ能谱仪的
上位机。常用接口方式主要有RS-232C串口、红外线端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。这几种接口方式的特点比
较如表1所示。
表表1 接口方式特点比较接口方式特点比较
方式 长度（m） 速度（b/s） 主要优点 主要缺点
串口 15 20k 应用广泛，研发简单 速度慢，逐渐被淘汰
并口 10 8M 速度较快，研发简单 逐渐被淘汰
红外线 2 115k 无线传输 距离短，可靠性差，耗电大
USB1.1 5 12M
传输稳定，速度快，使用方便，具有
弹性，代表接口发展方向
协议复杂，研发难度较大
1394 1.5 400M 传输速度快，具有弹性 特定用途（视频），研发难度大
Ethernet 500 10M 传输可靠，使用方便 ，资源共享 特定用途（LAN），研发难度大
经过比较轮证发现，USB作为近年出现的一种代表微机接口发展方向的新型总线规范，其便捷易用、速度快、可靠性高等
特点，使之非常适合作为便携式多道γ能谱仪的接口方式。目前大多数笔记本电脑一般都有两个以下的USB端口，USB规范规
定每个端口提供5V、500mA的电量，而笔记本电脑在实际应用时，通常是通过自带锂电池供电的，无法提供足够的电量给外
设，这时就会造成外设工作不正常，甚至使系统崩溃。考虑到本系统下位机部分功耗较大，因此供电方式使用外置电源。
笔者在吸收借鉴γ能谱测量技术最新研究成果的基础上，进行了USB便携式多道γ能谱仪的设计。本设计主要完成硬件、固
件、设备驱动程序以及应用程序等的设计工作。
图图2
1 硬件设计硬件设计
1.1 系统总线结构
图1所示为USB便携式多道γ能谱仪的总体结构框图。下位机硬件部分主要由γ射线探测系统（探头）、脉冲信号调理电
路、数字电位器、多道脉冲幅度分析器、USB接口电路以及电源电路等构成，其中探头部分包括闪烁探测器、前置电路和高
压电路等，多道脉冲幅度分析器主要包括峰值别电路、控制电路、A/D转换电路以及微控制器系统等。上位机由笔记本电脑系
统构成。
软件部分由固件、设备驱动和应用程序组成。
1.2 USB接口电路
由于USB本身的控制协议较为复杂，需要使用相应的USB接口芯片。本设计采用了Philips公司的USB接口芯片
PDIUSBD12（简称D12），其优点是可以选择合适的微控制器及其开发系统进行外设开发。
D12内部集成了串行输入引擎（SIE）、320字节的多结构FIFO存储器、收发器以及电压调整器，支持DMA方式，采用双
缓冲区技术，遵从USB1.1标准。芯片中串行输入引擎（SIE）模块起着至关重要的作用，完成所有USB协议层功能，如同步
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