基于ARM的便携式多道脉冲幅度分析器设计

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基于A R M 的便携式多道脉冲幅度分析器设计
王胜芹s 常赞杰2
(1湖南工学院数理科学与能源工程学院湖南衡阳421002;2湖南工学院计算机与信息科学学院湖南衡阳421002)
【摘要】针对传统的M C U 作为核心的多道脉冲分析器，运行速度慢，体积大，便携性差的缺点@本文提出了 一个以 A RM 11处理器S 3C 6410芯片为核心的多道脉冲幅度分析器的设计方案。

系统在S 3C 641Q 芯片上构建嵌入式Linux 操作 系统，使用Qt /Embedded 设计图形化的能谱分析处理软件。

测试结果表明，系统功耗低、体积小、祖能稳定，适合野外工作&.
【关键词】多道脉冲幅度分析器;便携式;S 3C 64101引言
多道脉冲幅度分析器用于分析射线探测器的输出信号，可 测量射线的能谱，它将被测量的脉冲幅度范围平均分为n 个幅 度间隔，一次测量就可以得到输入脉冲的幅度分布曲线心传统 的多道脉冲幅度分析器使用MCU 为核心，运算速度慢，工作的 时候需要上位机的支持^这种设计使得产品体积大，不方便携 带，不适用于野外工作环境，而且设计难度大，系统升级困难[2_4]。

本文设计了一个采用高性能的ARM 11核的S 3C 410处理器 为核心的高集成度、高精度、低功耗、低成本、便携的多道脉冲 幅度分析器。

2系统硬件设计方案
本系统总体设计方案如图1所示，核脉冲输入信号一路进 入甄别电路，消除低能噪声。

另一路信号进入峰值扩展电路，检 测峰值的到来，并对波峰进行展宽和保持。

甄别电路和峰值扩 展电路使控制电路在脉冲信号峰值到来的时候启动A /D 转换 器。

S 3C 6410芯片将转换后的结果读取后进行分析处理，通过 LCD 显示屏显示信号的能谱曲线。

一个输入脉冲信号处理完毕 后，控制电路使整个电路复原，等待下一个脉冲的到来。

图1系统总体硬件方案
3能谱分析软件设计3.1总体软件框架
能谱分析软件不但可以控制接口电路协调工作，实现对硬
件电路的完全控制，并且能对S 3C 6410芯片对采集到能谱数据 进行分析和处理。

本系统的能谱分析软件在以S 3C 6410硬件平 台为基础，通过构建Linux 操作系统，使用嵌入式GUI Q t /Em -[
核能谱分析软件|
b e d d e d 开发，软件分为数据采集、系统设置、数据处理和数据显
示四个功能模块。

3.2数据采集
数据采集模块实现了用户通过触摸屏对核脉冲信号的采 集功能，其中包括开始采集、结束采集和清除测量数据操作。

开始采集操作让多道脉冲分析器开始工作，将输入的核脉 冲信号进行A /D 转换。

S 3C 6410处理器记录每道的数据，然后 将数据自动写入能谱文件。

结束采集可以手动结束对核脉冲数据的采集，此时关闭A / D 转换操作，多道脉冲幅度分析器停止工作。

数据清除可以将将上一次的采集的数据清除，可以开始新 一次的数据采集。

如果不清除数据，则就是在上一次测量的基 础上,继续进行核能谱数据采集。

3.3系统设置
系统设置模块给用户提供采集的道数、釆集时间和采集方 式的设定。

道数设置给用户预留512和1024两个道数选项，系统默 认为为1024道。

本仪器可以将两道并做一道，实现512道的核能谱数据采集。

采集方式有手动和自动两个可选项。

若设置手动采集，用 户必须使用手动的方式开启和结束核能谱数据的采集;若设置 为自动测量，则设定一个以秒为单位的数据采集时间，采集启 动后，启动一个定时器，当时间递减到0时，釆集自动结束。

_量时间即是系统在自动采集模式下，手动设置的采集时 间。

3.4数据处理.
为了得到一个真实有效的结果，必须将采集到的能谱数据 进行加工和处理，包括自动寻峰、能量刻度和平滑曲线三种操 作.
⑴自动分峰
本设计采用五点极值寻峰法，当道址i 的计数值满足不等 式(1)，则认为峰位在i -l ，i ，i +l 这三道中计数最大的道。

nj r ^njrka
>nM
(1)
峰面积指的谱线图中构成波峰的所有的脉冲数，或者与脉 冲数成H 比的一个数。

峰面积的值一般用于确定待测样品的元 素含量6本设计采用全峰面积法(TPA )计算峰面积。

首先选择波
基金项目：湖南工学院科学研究项目（HY 130U 5)，湖南工学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目（H 1554)
2018年第1期
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峰两侧的波谷，或#勾木底锥线々峰底相切的两道作为峰边 界，如图4.5所示4设峰的左心边道为PpPR ，则波峰所々的道 数为P f P d l 。

将峰内每个道计数值^累加，得出以和P R 为边界的曲 线K 方的面积s 1£)
P r
S ^
yn ⑵i = P L
计算曲线下方的梯形的本底面积S 2。

S 2 =~x (Ji +7«)(^r _^z ,+1)
(3)
全峰净面积为s 为面积S i 减去梯形本底面积s 2，即公式
(3)减去公式⑵，得
S = Sl -S 2 = f ^yn -\x (yL +yR )(PR -P L +l )
i=p L 2 ⑷
(2) 能知:刻度
能量刻度反映了藏道址和能M 的爻系。

根据兑塞莱定律， 不同原子序数的的元素受到激发时发射的射线的能量正比与 它的原子序数的平方，因此，使用一组能量精确的能量已知的 射线，测量它在多道脉冲幅度分析器中的峰位，就可以拟合出 其线性函数，S 卩能:M 刻度函数。

E ~kxi+b
(5)公式(5)中，瓦为对j 、V : i 道址处的能量>b 为直线的斜距，k 为能:14:立线的斜韦，农>h •每道所代表的能M 间隔;i 则为道址 数。

(3) 谱线光滑
本设计采用最小二乘拟合法的7点光滑方法来进行鹆线 光滑处理，公式如下^
f i =Y \ (~2Y i -3 + 3Y i ~2+6Y i~l +1Yi+6Yi+1+3Yi+2" 21;+3) (6)在公式(6)中表小光tr /B 谱线道址为n 的数值，2,T i -l ，Fi ，Fi +1，F i +2, F i +3 分别为原始i?f 线屮道址为 i -3，i -2, i -1， i ，i +l ，i +2，i +3 的计数值a
(5)谱线显示模块
在核脉冲数据采集过程中，在LCD 屏幕主窗体上实时显示 谱线图。

除此之外，还可以显示能谱数据的处理结果。

4结论
S 3C 6410处理器足锥_r /\RM 1176JZF -S 核的用于手持、移动等终端设备的通用处理器，它强大的处理能力，完全可以满
足1024道脉冲幅度分析器的实时性耍求。

本系统雄尸Q t /Em -
bedded 设计的能谱分析软件，具有方便操作、界面友好的特点。

经过连续不间断的侧表明，本系统具备良好的微分非线性和积 分非线性，：1:作稳定性好，此外由于系统硬件采川了集成度
高、功耗低、贴片式的元器件，因此系统体积小，携带方面，非常 适合应用在野外工作。

参考文献：
[1 ]奚大顺，何为民.放射性物探仪器[M ].北京：原子能出版社，1998.8.[2] 李海，李翔，刘才学，基于A R M 微处理器的多道脉冲幅度分析系 统设计[J ].核电子学与核探测技术，2010,30( 1(0:1311-1313.
[3] 李兆龙，谢裕颖，刘亚建，等.低功耗多道脉冲幅度分析器研制[J ].核电 子学与探测技术，2016, 36(11):1167-1171.
[4] 罗翔，岳爱忠，王茂林，等.基于F P G A 的数字化多道脉冲幅度分析器 的设计[J ].测井技术，2017, 41(3):315-319.
作者简介：
王胜芹(1978-)，女，贵州沿河人，颂士，讲师，主要研究方向：核探测 技术；常赞杰(1猶〇- )，男，山东膝沂人，硕士，讲师，主要研究方向：嵌 入式系统。

C 上接第21页）
3结语
本文设计并劣现了锥f A r d u in o 平台的智能小乍设计。

A —
核心板是整个系统的关键，是智能小车的大脑，小车的
程序都处存在A r d u in o 核心板上的A V R 芯片内，包括电机的 PWM 调度、舵机的固定角度旋转、红外巡线轨迹的矫正等功 能，超声波模块能用于检测小车左边、右边和前方这三个方向 的是否有障碍物的存在，相当于智能小车的眼睛；电机驱动模 块也处小:个:的重耍部分，足小:午:彳/走的力M •之源圯来实现小车 自动避障行走、巡线行走的功能。

智能避障和巡线小个:的设化方便Y D 动控制及交丸技术
的开发足％动技术的设计雏形，通过它既可以研究未 来智能汽车领域的发展，也可以研究工业生产控制中的生产线 优化配置，促进社会发展。

参考文献：
[i ]暴吉岱，卢坤媛，徐淑芬.四足步行机器人研究现状及展望[J ].制
造业及自动化，2009，31 (» 4-6.
[2] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M ].天津：天津大学出版社， 2004.
[3] W 国会.家庭服务机器人研究前景广阔[J ].国际学术动态，2007(1):28-29.
[4] 訌海波，王卓然，耿德根.深入浅出A Y R 单片机.中国电力出版社， 2008,.
[5] 何东健.数字图像处理[M ].西安电子科技大学出版社，2012.[6] 张文春.汽车理论[M ].北京.机械工业出版社，2005.
作者简介：
杨艳霞(1W 9 - ):，女(汉)，湖北武汉人，副教授，硕士 (研究生)，主要研 究方向为机器学习与智能计算；李龙飞(1996-)，男，工学学士(本科)，主 要研究方向为计算机科学与技术;柯博文(1999-)，男，工学学士 (本科)， 主要研究方向为软件工程；陆泽新(1998-)，男，工学学士 (本科)，主要研 究方向为软件工程。

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