基于MSP430的多探头核辐射剂量率仪研制

摘要：为满足核辐射探测仪便携化，智能化的要求，探讨了以MSP430F169单片机为核心的多探头核辐射剂量率仪的软硬件实现方法。在介绍了整个系统的基础上，对仪器设计中的关键问题进行了详细说明，重点讨论了通过单片机给多个探头供高压电的原理和分别连接多个探头后数据传输的实现方法，并给出了单片机外围电路的原理图。试验证明，该仪器完全可以用于核辐射探测领域，且具有小型化、数字化、低功耗等优点。
关键词：MSP430；便携化；智能化；核辐射；多探头

    目前国内的辐射防护仪表无论是便携式的还是固定监测式的仪器都是采用一个探头对应一个主机的形式，而国外已经有多个探头对应一个主机的机型，这种多探头辐射测量仪具有的最大优势就是在主机不变的情况下只需更换不同的数字探头就可以分别测量α，β，γ的剂量率；而且测同一种射线时还可以根据不同情况选择不同种类的探头，利用所选探头的优点扩大仪器的量程；同时还避免了同类电路板的重复开发，产品的升级以及系统构成的变化只需改变软件，这样从很多方面都大大降低了成本。

1 系统概述
    本系统由探头和主机两个部分组成。外接探头内部的探测器类型包括测量α的ZnS探测器、测量β的塑料闪烁体探测器，测量γ的NaI晶体探测器，以及同时测量α，β的双闪烁体探测器和同时测量α，β，γ的双GM管探测器。探头内置一片MSP430F169型单片机，以提高其数字化程度；主机是以单片机MSP430F169为核心检测系统。MSP430F169单片机是超低功耗的16位混合信号处理器，在运算性能上比8位处理器高，远不止两倍。在本设计中，MSP430F169大部分时间工作于低功耗模式0情况下，此时耗电为50μA／s，只有主机向探头发送命令时，才触发一个极短暂运行。运行期间电流消耗250μA／MIPS左右。此系统用于查询探头检测到的实时剂量率和历史数据及设置探头所需的参数，当射线进入各类型探测器后产生电信号，电信号经过信号调整电路转换成标准脉冲频率信号，探头内单片机系统在设置的时间内对脉冲计数，再利用相应的算法计算出剂量率，将该剂量率通过RS 485总线传送给主机，最后在主机的液晶显示界面将剂量率显示出来。

2 数字探头介绍
    图1就是数字探头的结构，将探头数字化可以说是本设计的一个核心内容，其内部的单片机与主机中的单片机通过RS 485总线相互通信，完成修改参数，传输数据的功能。

    数字探头是由探测器、放大电路、甄别成型电路和一片MSP430单片机组成；而常规的模拟探头只是由探测器和前置放大电路和脉冲成型电路组成，由此可见，数字探头的集成度更高，智能化更强，适合编程控制。本文中所用到的数字探头就可通过编程修改以下参数：
    测量时间：0～60 s；测量次数：0～99次；校正因子：0．01～9．99；零点：-20～+20；高压：-1 000～+500 V。

3 硬件电路设计
    设计过程中的关键问题有两个：一是多个数字探头的高压供电问题，解决办法是采用D／A转换模块与单片机连接，通过软件控制来提供可变的低电压，然后将此低压接入能线性放大的高压转换模块为探头供电；二是多个探头的识别与数据传输问题，解决办法是将探头编号，并在数字探头与单片机间采用RS 485串口连接，共连接四根线，分别是电源线，地线，A头，B头。探头接收到传送ID指令时就将自己特有的编号传给主机，主机进行判断，看是哪种探头，进而转到相应的软件处理程序。当测完数据后采用第一片MSP430与第二片MSP430单片机双机通信方式将剂量率送至主机。图1中虚线框内就是数字探头部分，这里的A～N种探测器和信号处理电路并不是指同时挂接在主机上，而是指可更换的意思。其余模块包括128×64液晶显示屏，底色为白色，显示十分清晰；外部存储器，可存储实时数据和历史数据；时钟芯片，显示年、月、日、时；报警电路，当剂量率过大时蜂鸣报警；2×2键盘，控制仪器选项及页面变化。硬件连接方式如图1所示。

4 探头与主机通信协议
    主机使用RS 485串口与智能探头相接，采用半双工进行通信，波特率为9 600 b／s，每帧格式为：1位起始位，8位数据位，1位停止位。探头在向仪器发送数据设为发送状态，其余时隙设为接收状态。
    测量不同射线的探头都有一个ID号，以便仪器能识别不同的探头。为了方便以后扩展与使用，探头的ID号由5个字节组成共40位。其中，0～15位表示探头研发的年份，用BCD码表示0～7位为年，8～15位为世纪；16～23位表示发送出的数据是计数还是辐射的照射量；24～32位表示测量的范围；32～39位表示测量辐射的类型。

5 软件设计
    本系统软件设计主要分为主机程序和探头程序两大部分。程序在IAR Embedded Workbench软件平台上利用C语言进行开发，主机软件流程图和探头软件流程图分别如图2和图3所示。

    探头与主机连接后，首先，探头每隔1 s向主机发送一次自己的ID号，直到主机对该ID号进行判断、辨识、做出正确的应答后才停止发送；然后，判断是否需要修改探头参数，若需要则在主机上通过键盘对参数进行修改，修改后发送修改参数指令至探头；最后向探头发送传输数据指令，探头接收到指令后，根据主机发送的参数进行数据处理，计算出剂量率传送给主机，若剂量率超出报警阀值，主机发出警报。

6 结语
    仪器研制完毕后，已对空气中的辐射剂量作了一段时间的测量，整机具有运行稳定、灵敏度高、以及功耗低等优点。另外当进行户外探测时由于设计的是多探头系统，可以方便仪器携带，并且可同时获得不同类型辐射的剂量率，大大提高了探测效率。