0 引言

X 射線是由高能電子在物質(zhì)中作減速運(yùn)動(dòng)或由原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，所以穿透性很強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于射線檢測(cè)、介質(zhì)識(shí)別等多個(gè)方面。在射線能量一定時(shí)，X射線輻射強(qiáng)度的衰減程度只與所穿過(guò)的介質(zhì)有關(guān)，即X射線穿透不同介質(zhì)時(shí)，透射的強(qiáng)度不同。所以，可以通過(guò)對(duì)探測(cè)到的X 射線強(qiáng)度分析從而進(jìn)行介質(zhì)設(shè)別的相關(guān)研究。

X 射線的探測(cè)是通過(guò)探測(cè)器接收到射線穿透物質(zhì)后射線的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文采用NaI(Tl)晶體與光電倍增管組成的閃爍探測(cè)器以用于X射線的探測(cè)，探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度與透射的射線強(qiáng)度成正比，所以對(duì)脈沖信號(hào)幅度的分析也就為介質(zhì)識(shí)別提供了重要的信息，本文選用高速DSP 芯片TMS320F2812 作為主控制器來(lái)完成脈沖信號(hào)幅度的分析與處理。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

閃爍探測(cè)器探測(cè)到的X射線強(qiáng)度一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、峰值保持等預(yù)處理后，再使用DSP對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、脈沖幅度分析、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與上位機(jī)之間的通信，最終繪制出一條有關(guān)X射線強(qiáng)度的譜線圖。X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成：前置放大電路、濾波電路、主放大電路、峰值保持電路、DSP主控電路，其總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路是整個(gè)前級(jí)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在未屏蔽的條件下，透射的X射線一般處在變壓器電磁輻射、工頻干擾、背景輻射等背景噪聲中，要想從強(qiáng)大的背景噪聲中提取出攜帶識(shí)別介質(zhì)信息的X射線強(qiáng)度，就需要整個(gè)X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的性能，而前置放大電路又是前級(jí)預(yù)處理電路前端重要的組成部分，所以本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的前置放大電如圖2所示。差分運(yùn)算放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

圖2所設(shè)計(jì)的電路由3個(gè)基本運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)放A1、A2組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，以提高放大器的輸入阻抗和增益，A3為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)。整個(gè)電路的共模抑制比取決于第一級(jí)放大電路中A1 和A2 的對(duì)稱程度，第二級(jí)放大電路的共模抑制比取決于差動(dòng)運(yùn)放A3 的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度。由圖2 可算出前置放大電路的輸出電壓為Uo當(dāng)Ui1=Ui2 時(shí)，R2 中電流為零，故輸出電壓Uo=0.可見，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。

2.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

由于噪聲與信號(hào)同時(shí)放大，不利于后續(xù)放大電路的工作，所以信號(hào)在經(jīng)過(guò)前置放大電路放大后需要進(jìn)行濾波。為了保證X射線探測(cè)的精確性，可在前置放大電路之后設(shè)計(jì)由壓控電壓源二階高通濾波和二階低通濾波電路串聯(lián)組成的帶通濾波電路如圖3所示。

圖3即是所設(shè)計(jì)的帶通濾波電路，它由有源高通和有源低通濾波串聯(lián)組成，其帶寬范圍為100 kHz~1 MHz.高通和低通濾波的運(yùn)算放大器選用具有高精度、低偏置、低功耗的雙運(yùn)放芯片LM358.根據(jù)有源濾波電路的快速設(shè)計(jì)理論，可得到高低通濾波器的各個(gè)參數(shù)。

高通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為100 kHz,高通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：C1=C2=800 pF,R1=R2=20 kΩ;低通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為1 MHz,低通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：C3=C4=1 nF,R3=R4=160 Ω。

2.3 主放大電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前置放大和帶通濾波處理后的信號(hào)仍然比較微弱，其中最大的脈沖幅度約為400 mV且為負(fù)脈沖，由于后續(xù)ADC 電路的輸入范圍為0~3.3 V,因此脈沖信號(hào)在送入ADC 電路之前還需進(jìn)一步放大，所設(shè)計(jì)的主放大電路如圖4所示。

由圖4所示，主放大電路采用具有低噪聲、寬帶寬、高精度的單運(yùn)放芯片OP37組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，為使后端A/D轉(zhuǎn)換電路具有較為理想的輸入信號(hào)，主放大電路的電壓放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為6~8 倍，因此圖中各個(gè)電阻的參數(shù)設(shè)計(jì)為：R1=25 kΩ，R3=30 kΩ，R4=200 kΩ，R2采用標(biāo)稱阻值為10 kΩ的可調(diào)電位器。此外，為了避免電路中的毛刺使放大電路的輸出超過(guò)ADC的輸入電壓范圍，在主放大電路的輸出端設(shè)計(jì)了雙向限幅電路，當(dāng)主放大電路的輸出高于UMax 時(shí)，二極管D1 導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓被限制在UMax;當(dāng)主放大電路的輸出低于UMin時(shí)，二極管D2 導(dǎo)通;選擇合適的UMax 和UMin,可以把輸出電壓鉗制在0~3.3 V,滿足A/D轉(zhuǎn)換電路輸入電壓的范圍要求。

2.4 峰值保持電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)主放大電路處理后的脈沖信號(hào)雖然幅度較為理想，但脈沖寬度仍然較小，最小脈寬只有1 ms.而A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，要采到脈沖的尖峰需要對(duì)峰值電壓進(jìn)行保持，同時(shí)向DSP 提出中斷請(qǐng)求信號(hào)，使DSP響應(yīng)中斷并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后DSP使采樣保持器復(fù)原為采樣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，本文設(shè)計(jì)的峰值保持電路如圖5所示。[!--empirenews.page--]

如圖5所示，U4是芯片LF398,它是美國(guó)半導(dǎo)體公司研制的集成采樣保持器。它只需外接一個(gè)保持電容就能完成采樣保持功能，其采樣保持控制端可直接接于TTL,CMOS 邏輯電平。U1 和U2 是高速電壓比較器LM311,U3 是上升沿觸發(fā)的雙D 觸發(fā)器，U5 是與門74LS08.經(jīng)過(guò)主放大電路處理后的脈沖信號(hào)一路輸入到閾值比較器U1,另一路輸入到由比較器U2 組成的峰值檢測(cè)電路(R3C1組成延遲電路與U2反向輸入端輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行比較，用于判斷脈沖信號(hào)的峰值是否到來(lái))，還有一路輸入到采樣保持器LF398,而且LF398的輸出接到DSP內(nèi)ADC模塊的ADCINA0引腳上。

當(dāng)電壓脈沖信號(hào)幅度大于閾值電壓Vref(調(diào)試過(guò)程中設(shè)定Vref 為0.5 V,電壓低于0.5 V 的即可認(rèn)為是噪聲而不予考慮)，比較器U1輸出高電平，產(chǎn)生上升沿，上升沿再觸發(fā)U3A,它的Q 端輸出高電平和峰值未來(lái)到時(shí)U3B的Qˉ 端相與得高電平，去控制LF398的采樣控制端進(jìn)入采樣狀態(tài)。當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)峰值后，比較器U2 輸出高電平，得到上升沿，上升沿再觸發(fā)U3B,它的Qˉ 端輸出低電平，U5輸出低電平，LF398進(jìn)入保持狀態(tài)。U3B的Qˉ 端輸出的下降沿作為DSP 捕獲單元CAP3 中斷的啟動(dòng)信號(hào)，CAP3 發(fā)出信號(hào)去啟動(dòng)ADC,當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP 的GPIO 口輸出一個(gè)低電平作為U3 的清零信號(hào)CLR,雙D 觸發(fā)器74LS74 清零后，LF398 的采樣控制端重新進(jìn)入采樣狀態(tài)，準(zhǔn)備保持下一個(gè)脈沖的峰值。

2.5 DSP程序流程的設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換和脈沖幅度分析的控制是整個(gè)X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，決定著能譜數(shù)據(jù)采集的精度和整套系統(tǒng)的性能。由于NaI探測(cè)器探測(cè)到X射線的脈沖寬度最小只有1 ms,一般單片機(jī)的指令周期為微秒級(jí)，所以無(wú)法滿足應(yīng)用的需求。本文設(shè)計(jì)中選用了高速DSP芯片TMS320F2812,其時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz,時(shí)鐘周期為6.67 ns,使得A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果按幅度分類、進(jìn)行計(jì)數(shù)等一系列操作能夠在一個(gè)脈沖寬度的時(shí)間內(nèi)完成;而且片內(nèi)自帶ADC模塊是一個(gè)12位分辨率、具有流水線結(jié)構(gòu)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有16個(gè)采樣通道，最高采樣頻率為12.5 MSPS;該芯片最多可支持96個(gè)內(nèi)部的外設(shè)中斷，其中一個(gè)中斷可用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

如圖5所示，當(dāng)采樣保持器LF398由采樣狀態(tài)進(jìn)入保持狀態(tài)時(shí)，上升沿觸發(fā)器U3B的Qˉ 端輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生下降沿。當(dāng)DSP事件管理器EV捕獲單元CAP3 捕獲到這個(gè)下降沿時(shí)，發(fā)出一個(gè)信號(hào)去啟動(dòng)ADC 并進(jìn)入A/D 中斷，此時(shí)高速的A/D 轉(zhuǎn)換器開始將采樣保持器LF398 保持的直流電平轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在ADC 模塊的結(jié)果寄存器中;同時(shí)，DSP 會(huì)根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部RAM 尋址，并且對(duì)相應(yīng)的道址進(jìn)行加1操作，隨后DSP通過(guò)通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO產(chǎn)生一路低電平信號(hào)，此低電平信號(hào)輸入到U3的清零端，從而使LF398再次進(jìn)入采樣狀態(tài)。在DSP 程序設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)先設(shè)定好一定能譜數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，等到規(guī)定的時(shí)間時(shí)，DSP將此次采集的能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至外部Flash 存儲(chǔ)器，并且清除存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM 的能譜數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行下一次的采集，本文DSP 處理的軟件流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

當(dāng)X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分硬件電路調(diào)試成功時(shí)，就需要配合NaI(Tl)探測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。X 射線發(fā)生裝置通過(guò)給X光管加80 kV的高壓使之產(chǎn)生X射線，NaI(Tl)探測(cè)器探測(cè)到X射線后通過(guò)內(nèi)部的光電倍增管產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)各部分硬件電路逐步處理后，再通過(guò)TMS320F2812 的串行通信接口SCI上傳到計(jì)算機(jī)分析處理，并最終繪制出X射線能譜圖。系統(tǒng)結(jié)果的調(diào)試是在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3中完成的，調(diào)用CCS3.3的圖形顯示窗口，繪制的能譜如圖7所示。

由圖7 可知，本文的道址數(shù)設(shè)定為1 024,由于TMS320F2812 的ADC 是12 位，因此需要將A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存器右移2位操作。整條譜線各個(gè)道址的計(jì)數(shù)率都很低，計(jì)數(shù)率最大的道址在250道左右，計(jì)數(shù)率不超過(guò)30.要想提高道址計(jì)數(shù)率得到較理想的譜線，可以繼續(xù)提高X光管的供電電壓或加大燈絲電流。

4 結(jié)論

本方案所設(shè)計(jì)的基于DSP 芯片TMS320F2812 的X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，方案介紹了用于能譜數(shù)據(jù)采集的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)， 經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明，本方案所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、性能良好并且采集處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，在配合由NaI(Tl)晶體與光電倍增管組成的閃爍探測(cè)器時(shí)，取得了良好的效果;同時(shí)本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。