基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案

經(jīng)過主放大電路處理后的脈沖信號雖然幅度較為理想，但脈沖寬度仍然較小，最小脈寬只有1 ms.而A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，要采到脈沖的尖峰需要對峰值電壓進(jìn)行保持，同時向DSP 提出中斷請求信號，使DSP響應(yīng)中斷并啟動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)，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，本文設(shè)計的峰值保持電路如圖5所示。

如圖5所示，U4是芯片LF398,它是美國半導(dǎo)體公司研制的集成采樣保持器。它只需外接一個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)過主放大電路處理后的脈沖信號一路輸入到閾值比較器U1,另一路輸入到由比較器U2 組成的峰值檢測電路(R3C1組成延遲電路與U2反向輸入端輸入的脈沖信號進(jìn)行比較，用于判斷脈沖信號的峰值是否到來)，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)電壓脈沖信號幅度大于閾值電壓Vref(調(diào)試過程中設(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到時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 中斷的啟動信號，CAP3 發(fā)出信號去啟動ADC,當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP 的GPIO 口輸出一個低電平作為U3 的清零信號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)備保持下一個脈沖的峰值。

2.5 DSP程序流程的設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換和脈沖幅度分析的控制是整個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探測器探測到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，所以無法滿足應(yīng)用的需求。本文設(shè)計中選用了高速DSP芯片TMS320F2812,其時鐘頻率高達(dá)150 MHz,時鐘周期為6.67 ns,使得A/D轉(zhuǎn)換、對轉(zhuǎn)換結(jié)果按幅度分類、進(jìn)行計數(shù)等一系列操作能夠在一個脈沖寬度的時間內(nèi)完成;而且片內(nèi)自帶ADC模塊是一個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個采樣通道，最高采樣頻率為12.5 MSPS;該芯片最多可支持96個內(nèi)部的外設(shè)中斷，其中一個中斷可用于啟動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，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 捕獲到這個下降沿時，發(fā)出一個信號去啟動ADC 并進(jìn)入A/D 中斷，此時高速的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，轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在ADC 模塊的結(jié)果寄存器中;同時，DSP 會根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行內(nèi)部RAM 尋址，并且對相應(yīng)的道址進(jìn)行加1操作，隨后DSP通過通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO產(chǎn)生一路低電平信號，此低電平信號輸入到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)計過程中預(yù)先設(shè)定好一定能譜數(shù)據(jù)采集的時間，等到規(guī)定的時間時，DSP將此次采集的能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至外部Flash 存儲器，并且清除存儲在內(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，就需要配合NaI(Tl)探測器進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。X 射線發(fā)生裝置通過給X光管加80 kV的高壓使之產(chǎn)生X射線，NaI(Tl)探測器探測到X射線后通過內(nèi)部的光電倍增管產(chǎn)生電壓脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過系統(tǒng)各部分硬件電路逐步處理后，再通過TMS320F2812 的串行通信接口SCI上傳到計算機(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。整條譜線各個道址的計數(shù)率都很低，計數(shù)率最大的道址在250道左右，計數(shù)率不超過30.要想提高道址計數(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， 經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明，本方案所設(shè)計的系統(tǒng)電路簡單、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器時，取得了良好的效果;同時本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、輸出穩(wěn)定等特點，具有一定的應(yīng)用價值。