基于嵌入式系统的能谱型核测井仪器

1    引言
      民用非动力核技术是国家鼓励发展的高新技术，其中核测井技术是随着当代科技的发展以及它在石油、煤炭、铀矿等地质矿产勘探领域的应用而迅速发展起来的尖端测井技术之一。目前， 适用于铀矿核测井的国产仪器较少， 主要有成都理工大学研制的HFC-1 型γ 能谱测井仪器、核工业北京地质研究院研制的HD-4002 型综合测井仪等。这些仪器多数采用笔记本电脑为测井仪器系统的控制核心，为了能够更好适应野外测量工作的复杂环境，便于野外携带使用，本文将采用基于32 位处理器ARM 的嵌入式系统为测井仪系统的控制核心，并在此基础上开发相应的软硬件。
2    能谱型核测井仪的理论基础 
      众所周知，地壳的岩石和土壤中都有一定数量的放射性元素存在着，他们能够自发地放出放射性射线。在自然界中，这些放射性射线主要来自铀 -238 系列、钍-232 系列和钾-40 系列等天然放射性元素。这些放射性元素有着各不相同的γ 射线特征谱峰，如铀、钍、钾的特征谱峰分别为 1.76 MeV、2.62 MeV、1.47 MeV，因此可以根据测量所得的能谱数据，判定测量点位置的放射性元素成分，即进行放射性元素的定性分析。同时，放射性元素的含量与它的γ 射线强度成正比，因此只要计算出放射性元素的γ 射线强度，就可以得出相应的放射性元素含量，放射性元素定量解释方法主要有平均含量法、传统剥谱法与逐点剥谱反褶积解释法等。
      能谱型核测井方法是通过研究天然产生或人工激发的放射性射线谱沿井轴的分布特点而确定该地层中的某些元素成分和含量的一种无损检测方法。能谱型核测井仪就是使用能谱型核测井方法在野外现场测量伽玛射线能量谱，分析铀、钍、钾等放射性元素的性质和含量的一种仪器。
3    核测井仪的总体方案设计
      能谱型核测井仪必须满足体积小、性能稳定、功能强、灵敏度高、便于野外携带使用等需求。针对这些需求，对能谱型核测井仪提出以下的设计方案：
3.1 数据采集硬件系统设计方案  
      数据采集硬件系统主要由井下探管、自动绞车、能谱采集电路组成。
      井下探管主要包括核辐射探测器、前置放大器、探管外壳、电源等。目前国内外的核辐射探测器主要有闪烁体探测器（如NaI（T1）无机晶体闪烁器）、半导体探测器（如高纯锗HPGe 半导体探测器、碲锌镉CdZnTe 半导体探测器）等。室温碲锌镉（CZT）半导体核辐射探测器是继闪烁体探测器之后发展起来的一类新型先进的探测器,室温半导体核辐射探测器被认为是一种理想的探测器,它既具有低温半导体探测器的能量分辨率好,又具有闪烁晶体探测器的探测效率高,同时还具有体积小、重量轻、携带方便等优点，因此选择碲锌镉（CZT）半导体核辐射探测器为能谱型核测井仪的探测器。探管外壳用不锈钢材料制作，同时做好防水密封性能，能满足在测井的高温高压条件下正常工作。
      自动绞车负责控制井下探管的运动，实现探管在测井中进行逐点测量方式或连续测量方式的移动功能，并向嵌入式系统控制核心传送井下探管的深度值。
      能谱采集电路实现对碲锌镉（CZT）探测器输出的电脉冲信号线性放大、调整与去除信号噪声，并将测量脉冲信号的范围平均分成多个脉冲幅度间隔，然后统计处理后的脉冲信号在各个脉冲幅度间隔的个数，以便形成各个脉冲幅度的计数分布曲线。能谱采集电路主要由线性放大器、过峰检测电路、峰值保持电路、触发ARM920T处理器S3C2410A内置A/D模数转换等组成。其电路结构如图1 所示。
 

3.2    嵌入式系统在能谱型核测井仪中的应用
3.2.1    嵌入式硬件系统
      能谱型核测井仪系统的控制核心ARM920T处理器S3C2410A是一款高端的32 位低功耗RISC微处理器，具有最高工作频率 203MHZ、独立的16KB 指令Cache与16KB数据Cache。存储系统采用2MB的NOR Flash、128MB 的 NAND FLASH 与64MB 的SDRAM 相结合，作为程序运行和数据存储空间。并设计了各种相应的外围接口，主要包括LCD接口、SPI键盘接口、USB 接口、以太网接口、RS232 接口与多道分析器MCA 接口等。采用5.4 英寸的LCD 真彩显示屏，因S3C2410A 内部已集成了 LCD 控制器，所以可以很方便地控制各种类型的LCD 显示屏。
3.2.2   嵌入式软件系统
      在核测井仪硬件平台上编写Bootloader 引导程序，用于初始化目标板硬件，给操作系统提供板上硬件资源信息，并进一步装载、引导嵌入式Linux 操作系统。因U-Boot 具有广泛的通用性，选择U-Boot 在该硬件平台上进行移植，Flash 驱动程序与SDRAM 驱动程序的移植是U-Boot 成功移植的关键。
      嵌入式Linux 支持多种体系结构，有强大的网络功能支持，支持多文件系统，有丰富的外设驱动，此外Linux 还具备一整套工具链，使用户容易自行建立嵌入式系统的开发环境、交叉运行环境。在相应的硬件平台上裁剪与移植Linux 操作系统内核， 并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系统。根文件系统采用YAFFS文件系统，具有速度快、占用内存少等特点，自带NAND 芯片驱动，YAFFS 是专门为NAND 闪存设计的日志结构嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。
3.2.3    基于MiniGUI 的监控终端设计
      MiniGUI 是一个面向实时嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统，广泛应用于手持信息终端、机顶盒、工业控制系统及工业仪表、便携式多媒体播放机、查询终端等产品和领域。能谱型核测井仪的监控终端基于MiniGUI 图形界面开发库编写，实现了能谱数据的采集、能谱曲线的显示、数据文件的管理、能谱数据的分析等功能。能谱型核测井仪的监控终端基本结构如图2 所示。

3    结束语
  本文瞄准国内外核测井仪的发展趋势，结合便携式仪器现场工作的特点以及嵌入式系统的发展特点，以高端ARM920T处理器S3C2410A为核心，并在其上移植了嵌入式Linux操作系统、YAFFS文件系统、MiniGUI 图形界面开发库、编写了Bootloader 系统引导代码、编写了设备驱动程序、编写基于Linux 操作系统和MiniGUI 的测井仪监控终端软件。
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