用ATmega128控制的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)

在4兆伏靜電加速器工作區(qū)域內(nèi)，需建立大范圍的核輻射監(jiān)測系統(tǒng)。其中多道脈沖幅度分析系統(tǒng)是關(guān)鍵。對γ射線探測器輸出脈寬信號（1～2µs）的峰值進(jìn)行采集分析，其采集速率必須大于1MS/s[1]。
當(dāng)前類似系統(tǒng)大都采用C51系列單片機(jī)（89C51）作為主控制器，由于C51系列單片機(jī)機(jī)器周期為12個時(shí)鐘周期，工作頻率為12MHz時(shí)指令執(zhí)行速率僅為1MIPS，其速度慢的缺點(diǎn)影響了多道脈沖分析系統(tǒng)采集及數(shù)據(jù)傳輸速率。
我們設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)第一大特點(diǎn)，采用AVR單片機(jī)系列功能最強(qiáng)大的ATmega128，取代C51系列單片機(jī)，使系統(tǒng)的工作速度提高了數(shù)十倍，采集速率可達(dá)到5MS/s。第二大特點(diǎn)，為解決與上位機(jī)通訊速度慢的問題，采用USB接口技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到1Mbit/s。因而，該系統(tǒng)從根本上滿足了核電信號要求采集速度高，通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[2]也極大地改善了其使用特性。
1 ATmega128工作原理及其特點(diǎn)
ATmega128是AVR系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，即程序存儲和數(shù)據(jù)存儲具有不同的存儲器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令預(yù)先從程序存儲器中取出，程序執(zhí)行效率高[3]。ATmega128指令執(zhí)行的時(shí)序圖如圖1所示。

其機(jī)器周期為1個時(shí)鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHz時(shí)可達(dá)到16MIPS的性能?？僧a(chǎn)生周期為125ns（頻率為8MHz）的方波作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時(shí)鐘信號，比C51單片機(jī)的速度要高20～30倍。
2 ATmega128控制多道脈沖幅度分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理
以AVR單片機(jī)ATmega128作為控制核心的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)主要由程控放大電路、閾值電路、峰值保持電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲器擴(kuò)展電路及USB接口電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

圖1 多道分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
γ射線探測器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶體，它和PMT（光電倍增管）及前置放大器封
裝一體，輸出與被探測能量成正比的電壓脈沖程控放大后，經(jīng)閾值電路后進(jìn)入峰值保持電路。在ATmega128控制下，完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入擴(kuò)展存儲器。待PC機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給PC機(jī)。
2.1 程控放大及閾值電路
程控放大電路采用高速（帶寬為170MHz）、低漂移的運(yùn)算放大器AD9631，通過ATmega128調(diào)整具有I2C總線接口X9241M（數(shù)字電位器）輸出電阻，改變其放大倍率。主要目的是定期測量標(biāo)準(zhǔn)放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射線的全能峰)的峰位變化―峰位漂移的“道數(shù)”，調(diào)整其倍率穩(wěn)定特征峰峰位[4]。
閾值電路由高速精確的電壓比較器AD790（響應(yīng)時(shí)間為45ns）、X9241M及基準(zhǔn)源組成，ATmega128調(diào)整X9241M輸出電阻設(shè)定其下限閾值電壓，剔除探測器輸出的低噪聲信號。
2.2 峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
代表γ射線輻射能量的電壓脈沖信號非常窄，寬度在1～2µs左右，無法直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將其峰值擴(kuò)展后方可進(jìn)行量化。由ATmega128控制的峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。峰值保持電路由ADG721和AD790組成。ADG721是高速COMS開關(guān)，高電平有效，開關(guān)閉合需要為24ns，斷開需要11ns。