USB便攜式多道γ能譜儀的設計與實現

摘要：討論了串行總線（USB）技術應用于便 攜式多道γ能譜儀的可行性，并詳細介紹了 系統(tǒng)的硬件、固件、設備驅動程序以及應用程序的設計方法，最后給出了其性能測試結果。

    關鍵詞：USB γ能譜數據采集 WDM

野外地面γ能譜測量技術主要研究地殼巖石土壤中產生的能量范圍約為30keV～3000keV的γ射線，這里面包含著軸、鉀等天然放射性核元素信息、核工程活動產生的大量人工放射性核元素信息以及γ射線與地殼相互作用產生的相關信息。而用于獲取和處理γ能譜數據的多道γ能譜儀是重要的研究課題，其功能是把從γ射線探測器得到的脈沖信號轉換為X-Y軸的能譜形式并顯示出來（X軸代表能量，Y軸代表脈沖計數）。
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    傳統(tǒng)的多道γ能譜儀一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的標準模式。但其存在體積龐大、抗干擾能力差等缺點，不適合于野外現場測量。為適應多道γ能譜儀智能化、微機化、便攜化的實際需要，本設計采用筆記本電腦作為γ能譜儀的上位機。常用接口方式主要有RS-232C串口、紅外線端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。這幾種接口方式的特點比較如表1所示。

表1 接口方式特點比較

方式 長度（m） 速度（b/s） 主要優(yōu)點 主要缺點 串口 15 20k 應用廣泛，研發(fā)簡單 速度慢，逐漸被淘汰 并口 10 8M 速度較快，研發(fā)簡單 逐漸被淘汰 紅外線 2 115k 無線傳輸 距離短，可靠性差，耗電大 USB1.1 5 12M 傳輸穩(wěn)定，速度快，使用方便，具有彈性，代表接口發(fā)展方向 協(xié)議復雜，研發(fā)難度較大 1394 1.5 400M 傳輸速度快，具有彈性 特定用途（視頻），研發(fā)難度大 Ethernet 500 10M 傳輸可靠，使用方便 ，資源共享 特定用途（LAN），研發(fā)難度大

經過比較輪證發(fā)現，USB作為近年出現的一種代表微機接口發(fā)展方向的新型總線規(guī)范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點，使之非常適合作為便攜式多道γ能譜儀的接口方式。目前大多數筆記本電腦一般都有兩個以下的USB端口，USB規(guī)范規(guī)定每個端口提供5V、500mA的電量，而筆記本電腦在實際應用時，通常是通過自帶鋰電池供電的，無法提供足夠的電量給外設，這時就會造成外設工作不正常，甚至使系統(tǒng)崩潰�？紤]到本系統(tǒng)下位機部分功耗較大，因此供電方式使用外置電源。

筆者在吸收借鑒γ能譜測量技術最新研究成果的基礎上，進行了USB便攜式多道γ能譜儀的設計。本設計主要完成硬件、固件、設備驅動程序以及應用程序等的設計工作。

圖2

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)總線結構

圖1所示為USB便攜式多道γ能譜儀的總體結構框圖。下位機硬件部分主要由γ射線探測系統(tǒng)（探頭）、脈沖信號調理電路、數字電位器、多道脈沖幅度分析器、USB接口電路以及電源電路等構成，其中探頭部分包括閃爍探測器、前置電路和高壓電路等，多道脈沖幅度分析器主要包括峰值別電路、控制電路、A/D轉換電路以及微控制器系統(tǒng)等。上位機由筆記本電腦系統(tǒng)構成。

軟件部分由固件、設備驅動和應用程序組成。

1.2 USB接口電路

    由于USB本身的控制協(xié)議較為復雜，需要使用相應的USB接口芯片。本設計采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（簡稱D12），其優(yōu)點是可以選擇合適的微控制器及其開發(fā)系統(tǒng)進行外設開發(fā)。

D12內部集成了串行輸入引擎（SIE）、320字節(jié)的多結構FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器，支持DMA方式，采用雙緩沖區(qū)技術，遵從USB1.1標準。芯片中串行輸入引擎（SIE）模塊起著至關重要的作用，完成所有USB協(xié)議層功能，如同步模式識別、并/串轉換、位填充/解填充、CRC檢驗/產生、包PID產生/確認、地址識別、握手信號包響應產生等。另外，D12還集成了SoftConnect、GoodLink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統(tǒng)的性價比。

圖4

    微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一種兼容Intel8032微控制器的產品，其主要特點是工作電壓范圍寬（2.7V～5.5V）、功耗低、性價比高。D12與GMS90L32的連接如圖2所示。本設計使用了多路地址/數據總線復用方式。

此外，本系統(tǒng)選用了美國ST公司的PSD913F2，它是用于8位微控制器的具有大容量FLASH存儲器、在系統(tǒng)編程（ISP）能夠和可編程邏輯的器件。它將地址鎖存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一個芯片內，成功地實現了微控制器系統(tǒng)的“MCU+PSD”兩芯片解決方案。這種方案既可簡化電路設計，節(jié)省PCB印制板空間，縮短產品開發(fā)周期，又可增加系統(tǒng)可靠性，降低產品功耗。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 微控制器固件程序

所謂固件程序就是固化在程序存儲器中的程序代碼。本系統(tǒng)的固件存儲在PSD913F2的Flash存儲器中，固件開發(fā)使用的是Keil C51語言，開發(fā)平臺為μVision2集成開發(fā)環(huán)境。

    固件的開發(fā)是移植與開發(fā)相結合。本設計參考了Philips公司提供的D12固件程序范例，對于USB協(xié)議操作的相關代碼可以直接移植使用，而數據采集、傳輸、存儲等部分則是全新的開發(fā)工作。

固件程序結構如圖3所示。硬件抽象層對D12的數據讀、寫以及各種指令的寫入進行函數封裝；D12命令接口層對D12的所有控制指令的函數進行封裝；USB向量請求模塊完成USB上電配置、向量請求等各類事件的響應處理；USB協(xié)議層包括對USB協(xié)議操作的封裝以及對USB標準請求的響應；中斷服務進程包括USB中斷、ADC中斷以及定時器0中斷（記錄測量時間）等。

主程序及ADC中斷服務程序流程圖如圖4所示。主程序首先完成各種初始化，然后進入主循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，并根據標志變量執(zhí)行相應的函數。當打開控制電路時，脈沖峰值別電路自動啟動A/D轉換，轉換結束信號會觸發(fā)微控制器外部中斷1，進入ADC中斷服務程序，讀取A/D轉換結果并存入緩存中，然后中斷返回。

當D12有事件需要處理時，將觸發(fā)微控制器外部中斷0，微控制器讀取D12的中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷的來源并作出相應的處理。若由數據端點觸發(fā)，則相應地讀取或寫入數據；若由控制端點0觸發(fā)，則判斷請求的類型。標準請求由USB協(xié)議處理模塊處理，用戶自定義向量請求由USB向量請求模塊處理。

    2.2 USB設備驅動程序的設計

在Windows環(huán)境下，USB設備驅動程序遵循WDM（Win32 Driver Mode）方式。為了簡化設計，并兼顧驅動程序的運行效率，筆者選用了DriverStudio2.7工具軟件中的DriverWorks組件進行USB設備驅動程序的開發(fā)。DriverWorks為WDM設備驅動程序的開發(fā)提供了完善的支持。其中包含一個非常完善的源代碼生成工具DriverWizard以及相應的類庫和驅動程序范例，它還支持在C++下進行設備驅動程序的開發(fā)。通過DriverWizard生成的代碼只需要進行少量的修改可以使用，這使得驅動程序開發(fā)者可以將精力集中在驅動功能的實現上，而不必理會太多的WDM開發(fā)細節(jié)。

本設計在DriverWizard的最后自定義了三個IOCTL接口對USB設備進行控制，如表2所示。然后在自動生成的驅動程序代碼中向相應的IOCTL函數添加代碼，用函數BuildVerdorRequest構建USB協(xié)議的自定義向量請求（Vendor Request）。由編譯修改后的源代碼即可得到驅動程序文件McaD12.SYS。

表2 自定義IOCTL接口

自定義IOCTL接口 功能說明 Mca_IOCTL_START 啟動多道采集數據 Mca_IOCTL_READ 開始讀取數據 Mca_IOCTL_START 停止多道數據

2.3 USB應用程序的設計

應用程序的設計在Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境下進行。根據實際要求，本設計需要在軟件中對采集的數據進行整理、分析并顯示。其功能模塊主要有數據采集、譜數據顯示、ROI操作、系統(tǒng)刻度、譜分析等，其結構框圖如圖5所示。

在Win32系統(tǒng)中，USB設備被抽象為一個文件，應用程序只需要通過幾個API函數就可以實現與驅動程序中USB設備的通信。API函數如表3所示。

表3 設備文件操作API函數

API函數 功能說明 CreateFile 打開設備 ReadFile 從設讀取數據 WriteFile 向設備發(fā)送數據 CloseHandle 關閉設備 DeviceIoControl I/O控制操作

本程序設計使用MFC多線程技術。單擊開始按鈕，程序就創(chuàng)建一個用戶接口線程，并且通過IOCTL啟動USB設備，然后在此線程每隔一定時間（10～20ms）從USB總線上讀取一次數據；而程序自身的主線程則不斷地依據讀取的數據刷新屏幕，顯示多道能譜。當單擊停止按鈕或是設定采集時間到時，程序則通過IOCTL停止USB設備的數據采集，終止用戶接口線程，并且停止屏幕譜線的更新。

當創(chuàng)建用戶接口線程時，首先從CwinThread類派生一個CioThread類，然后調用AfxBeginThread()函數創(chuàng)建CioThread類的對象進行初始化，啟動線程運行。根據需要可將初始化和結束代碼分別放在類的InitInstance()和ExitInstance()函數中。其中，InitInstance()函數是從USB采集數據的線程的主要函數。從中實現對IOCTL的調用、對USB設備數據的讀取等功能。其流程如圖6所示。

3 測試與結論

實測Cs放射源γ能譜如圖7所示。根據能量為0.6641MeV的譜峰，系統(tǒng)可以自動計算能量分辨率，實測能量分辨率小于10%。

經過嚴格測試，該系統(tǒng)其它主要技術指標為：γ射線能量分析范圍為20keV～3.0MeV; γ能譜分析道數為1024道；放射源能量非線性系數小于5%；使用NaI(T1)探測器時，整機功耗小于960mW；實測USB最大數據傳輸速率約為1Mbps；連續(xù)測量數據符合放射性統(tǒng)計漲落規(guī)律；設備驅動及應用程序兼容Win98/2000/XP。

上述結果表明，本系統(tǒng)的技術路線和軟硬件設計先進，方案合理，并具有一定的創(chuàng)新性和實用價值。對本系統(tǒng)編譯稍加修改便可應用于其它基于微機的數據采集、自動化測控系統(tǒng)中。

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