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概述

在核污染的環(huán)境評(píng)測(cè)中，zui常用的儀表是X、γ 輻射空氣吸收劑量率儀。在這類儀表中，使用的測(cè)量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計(jì)數(shù)的方法，在這類方法中使用光電倍增管或使用計(jì)數(shù)管對(duì)核輻射脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測(cè)量的輻射脈沖進(jìn)行積分、放大后顯示輸出。在后一種方法中，由于綜合考慮了反映核輻射能量脈沖的數(shù)量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如(圖一)所示。

存在的問(wèn)題

在廠家多年生產(chǎn)這種類型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)使用該方法生產(chǎn)的儀表，存在以下的問(wèn)題：

[1] 在積分放大電路中由于積分常數(shù)較大，而且電容的品質(zhì)對(duì)儀表參數(shù)影響甚大，因此為了得到較穩(wěn)定的積分電路性能，電容的容量不能用的太大，所以在輸入積分電路中只能用提高電阻的阻值的方法來(lái)增加積分常數(shù)。這時(shí)，電阻的阻值將高達(dá)1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應(yīng)用大大地提高了儀表生產(chǎn)的工藝難度和使用時(shí)受環(huán)境影響的程度。

[2] 作為影響儀表性能的關(guān)鍵探測(cè)部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數(shù)大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數(shù)中，起關(guān)鍵作用的參數(shù)為光電倍增管的暗流和蘭光靈敏度。若光電倍增管的暗流過(guò)大，將會(huì)使儀器的本底降不下來(lái)，從而使成為不合格產(chǎn)品。若光電倍增管的蘭光靈敏度太低，勢(shì)必要提高電路的放大倍數(shù)。這時(shí)若設(shè)計(jì)的放大器倍數(shù)過(guò)大，將會(huì)產(chǎn)生兩種后果：a)過(guò)大的放大倍數(shù)，將影響放大器的穩(wěn)定性。b)使用電路設(shè)計(jì)上的限制，有時(shí)電路的放大倍數(shù)難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[3] 在儀器的構(gòu)成的諸多元素中，光電倍增管、儀器中的放大電路等都會(huì)在溫度變化的影響下產(chǎn)生參數(shù)的變化，使儀表產(chǎn)生一定的溫度漂移，從而使儀表在溫度變化的影響下，產(chǎn)生精度上的變化。這一點(diǎn)雖然在電路設(shè)計(jì)中加入了復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線性，使一般的電路補(bǔ)償方式難以達(dá)到理想的效果。

解決方案

根據(jù)以上存在的問(wèn)題以及對(duì)儀表性能提高的要求，在對(duì)原有儀表進(jìn)行較仔細(xì)地分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)目前儀表設(shè)計(jì)、改進(jìn)的潮流方向以及單片機(jī)系統(tǒng)在儀表中的廣泛應(yīng)用。我們對(duì)儀表在設(shè)計(jì)理念和方法上進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機(jī)對(duì)儀表電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。引入了模擬 + 數(shù)字放大技術(shù)；數(shù)字本底調(diào)整技術(shù)和溫度數(shù)字校正技術(shù)。應(yīng)用上述原理設(shè)計(jì)出的儀器經(jīng)廠家生產(chǎn)和用戶試用，基本上達(dá)到了生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使用性能穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目的。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述如下：

一. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

在考慮應(yīng)用單片機(jī)設(shè)計(jì)儀表系統(tǒng)時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)傳感器信號(hào)的輸入和處理電路。這部分電路需要滿足信號(hào)的輸入、調(diào)理和放大的功能。同時(shí)在電路的設(shè)計(jì)中還要兼顧放大倍數(shù)與放大器的穩(wěn)定性這兩方面的問(wèn)題。

(2)信號(hào)的變換，為了能將信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。

(3)數(shù)字放大和本底調(diào)整控制電路，在這一部分的電路設(shè)計(jì)中，考慮到原有儀表的結(jié)構(gòu)和用戶使用中的一般習(xí)慣，在這一部分的調(diào)整中仍然采用了使用電位器的模擬調(diào)整技術(shù)，只不過(guò)是將調(diào)整的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)字校正處理。

(4)顯示輸出電路，根據(jù)用戶要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號(hào)必須為模擬信號(hào)，所以這里采用了數(shù)字PWM輸出技術(shù)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)輸出。

整個(gè)儀表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如(圖二)所示。由上述電路系統(tǒng)圖可以看出，在整個(gè)電路在對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程中，需要完成A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節(jié)。為了使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性達(dá)到較高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的選型上，采用美國(guó)的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機(jī)。

二. MSP430F133單片機(jī)選型依據(jù)。

MSP430F133系列單片機(jī)是德州儀器公司生產(chǎn)的一組具有超低功耗的、具有16位RISC結(jié)構(gòu)，16位CPU寄存器和常數(shù)寄存器的微控制器。而 MSP430F133是這個(gè)系列中的一款帶有8KB Flash Memory、256B RAM；有12位的帶有內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能的A/D轉(zhuǎn)換器，以及硬件中的PWM輸出端口。它的超低功耗設(shè)計(jì)(僅微安級(jí)工作電流)正好滿足了便攜式儀器使用電池供電的特點(diǎn)。它所具有的片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度較高和速度快的特點(diǎn)，基本上滿足了實(shí)時(shí)采樣的要求。它所具有的16位PWM輸出端口使輸出表頭的指示更加平滑穩(wěn)定。另外它內(nèi)部所帶有的硬件乘法器使單片機(jī)的運(yùn)算性能大大的加強(qiáng)。滿足了數(shù)字儀器復(fù)雜、快速運(yùn)算的要求。另外使用在單片機(jī)內(nèi)部嵌入的溫度傳感器，我們可以根據(jù)它測(cè)出的環(huán)境溫度和系統(tǒng)的溫度特性，對(duì)整個(gè)儀器系統(tǒng)進(jìn)行的溫度數(shù)字校正，使系統(tǒng)在環(huán)境溫度產(chǎn)生較大變化時(shí)仍能可靠、穩(wěn)定地工作。

三. 硬件實(shí)現(xiàn)方案：

根據(jù)MSP430F133單片機(jī)所具有的系統(tǒng)資源和儀表系統(tǒng)的要求，作為傳感器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大后即可送入片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。另外，作為本底放大倍數(shù)的電位器調(diào)整信號(hào)經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后也送入了片內(nèi)的A/D。一般來(lái)說(shuō)，片內(nèi)的A/D為12位?；旧夏茌^準(zhǔn)確的反映了外部信號(hào)的變化。但是由于本儀表測(cè)量數(shù)值的變化范圍為0~10000個(gè)單位，這時(shí)，僅使用片內(nèi)的12位A/D所反映的信號(hào)變化范圍zui大為0~4096個(gè)單位。這樣，在低量程上反映出來(lái)的測(cè)量信號(hào)就顯得分辨率不夠。如果兼顧了分辨率，就會(huì)使儀器的測(cè)量范圍達(dá)不到要求。因此，在片內(nèi)A/D數(shù)位不能提高的情況下，在硬件設(shè)計(jì)上采用了分段放大轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方法，即把輸入的信號(hào)放大不同的倍數(shù)根據(jù)不同的量程分別輸入單片機(jī)內(nèi)A/D不同的端口。在測(cè)量小信號(hào)時(shí)，使用大倍數(shù)的放大器輸出信號(hào)輸入A/D端口，以達(dá)到小信號(hào)較高的分辨率。而在測(cè)量大信號(hào)時(shí)，小信號(hào)的輸入端口輸入的數(shù)據(jù)已達(dá)到滿幅度，這時(shí)儀表將使用大信號(hào)輸入端口，以達(dá)到大信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。較好的解決了片內(nèi)A/D位數(shù)不足的矛盾。在輸出設(shè)計(jì)上，直接采用了數(shù)字信號(hào)的PWM輸出，即通過(guò)單片機(jī)的PWM端口輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)貫V波后，送指針儀表顯示，完成了D/A轉(zhuǎn)換輸出的功能。

四. 軟件結(jié)構(gòu)及功能

作為使用微處理器的智能系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在本文所述的測(cè)量?jī)x表中，同樣需要設(shè)計(jì)與硬件相匹配的軟件系統(tǒng)才能使儀表完成所設(shè)計(jì)的功能。根據(jù)儀表性能要求，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
A 由于該儀表傳感器測(cè)量的核輻射信號(hào)是由閃爍體轉(zhuǎn)化而來(lái)的光脈沖信號(hào)，根據(jù)核物理理論得知，核輻射量的大小與這些脈沖信號(hào)的積分值相關(guān)。因此，在探頭將測(cè)得的脈沖信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，所得的數(shù)字信號(hào)同樣也為一組與核輻射量成正比例的脈沖信號(hào)。為了準(zhǔn)確地反映信號(hào)的大小，系統(tǒng)軟件應(yīng)將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字積分。同時(shí)，為了在指針式表頭上穩(wěn)定的顯示測(cè)量值，還要對(duì)積分所得的值進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臑V波，以避免由于指針示值不穩(wěn)定而影響讀數(shù)。

B 作為測(cè)量?jī)x表，為了能準(zhǔn)確地讀數(shù)，在儀表生產(chǎn)→老化等工藝完成后還必須進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)本儀表的標(biāo)定，就是調(diào)整儀表的零點(diǎn)和放大倍數(shù)。使它的顯示值與測(cè)量值相吻合。在本儀表的設(shè)計(jì)中，雖然也是采用了電位器標(biāo)定調(diào)整的方法，但是這兩個(gè)電位器與儀器的輸入放大電路無(wú)關(guān)，這樣就可以zui大可能的避免由于電位器引線過(guò)長(zhǎng)而對(duì)儀表放大器的影響，提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性。為了達(dá)到調(diào)整的目的，我們是將這兩個(gè)電位器接在穩(wěn)壓基準(zhǔn)電源上，通過(guò)將電位器中心抽頭調(diào)整的電壓值轉(zhuǎn)變位數(shù)字信號(hào)的方法，再使用如下公式來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定。

Sout = Amp * Sin + Zero

式中：

Sout - 經(jīng)標(biāo)定校正后的顯示信號(hào)值；

Sin - A/D轉(zhuǎn)換后的測(cè)量輸入信號(hào)值；

Amp - 放大倍數(shù)調(diào)整電位器中心抽頭電壓的A/D轉(zhuǎn)換值；

Zero - 零點(diǎn)調(diào)整電位器中心抽頭電壓的A/D轉(zhuǎn)換值；

這樣，在標(biāo)定時(shí)只需調(diào)整這兩個(gè)電位器即可達(dá)到數(shù)字標(biāo)定的目的。

C 作為提高儀表系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要措施，就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于受溫度影響的因素較多，所以難以總結(jié)出一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述儀器的讀數(shù) - 溫度的特性。因此，在這里使用試驗(yàn)的方法找出系統(tǒng)的溫度特性曲線。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可以使用輸入校正表格 - 分段插值的方法進(jìn)行校正。用過(guò)輸入合理設(shè)計(jì)的表格和運(yùn)用正確插值方法，在MPS430F133單片機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能的支持下，使系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償做的更加準(zhǔn)確合理。

D 在儀器的顯示部分由于使用了指針式表頭，在測(cè)量值出現(xiàn)突變或者測(cè)量值超過(guò)測(cè)量范圍時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)表針劇烈擺動(dòng)甚至出現(xiàn)打針的現(xiàn)象。雖然我們?cè)谠O(shè)計(jì)輸出時(shí)，對(duì)每一檔輸出的zui大值都給予了限定，但如不采取措施仍會(huì)在測(cè)量值突變時(shí)出現(xiàn)打針現(xiàn)象和表針劇烈擺動(dòng)現(xiàn)象。因此在輸出軟件設(shè)計(jì)上，當(dāng)輸出值變化時(shí)，表針的運(yùn)動(dòng)中加入了適當(dāng)?shù)能涀枘?。?shí)現(xiàn)阻尼的算法框圖見(jiàn)(圖三)。這種算法具有較好的平滑性能，使用這樣的算法，即使在指針的指示值變化較大時(shí)也能夠既快又平穩(wěn)地到達(dá)新的測(cè)量值。顯示出了良好的阻尼性能。