专利名称：一种基于msp430f5438的超低功耗伽玛能谱采集方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电学领域，涉及一种应用于放射性伽玛能谱测量中的伽玛能谱采集方法及装置，尤其适合作为超低功耗手持式伽玛能谱仪和微机式多道伽玛能谱测量系统。
背景技术：
常规的伽玛能谱仪中，伽玛光电脉冲信号的峰值检测电路采用过峰值检测方法，对比较电路要求极高，并带来了不少死时间；传统的伽玛能谱采集中使用独立高速A/D转换器件，配以测量控制电路，再通过单片机或其他微处理器完成伽玛能谱测量、显示和存储；传统的伽玛能谱采集中，一次测量构成的死时间高达15μ s以上；而且，传统的伽玛能谱仪电路较复杂，电池供电时间短，很难用普通可充电5号电池供电时间超过10小时。
发明内容
本发明的目的之一是针对目前环境放射性测量需要，提出一种基于MSP430F5438的手持式伽玛能谱采集方法。本发明的目的之二是提供一种采用所述方法制成的超低功耗伽玛能谱采集装置或手持式伽玛能谱仪，实现两节5号可充电电池可供本伽玛能谱采集装置正常测量和工作超过12小时。本发明的目的之一的技术方案一种基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法:
(1)、采用中速微处理器片内A/D转换器，对伽玛能谱信号的采集；
(2)、采用峰前比较技术，完成峰值比较电路设计，并通过电位器调整比较点到峰值的时间；
(3)、采用超低功耗微处理器MSP430F5438构成的能谱采集装置。进一步:
(1)、采用MSP430F5438片内200kbps12位A/D转换器，利用外部测控逻辑控制电路产生中断，在中断中快速启动采样保持，并关断输入信号；再利用A/D转换中断，在中断程序中打开输入信号，等待下一次采样保持中断产生，并完成道址计数加I处理，能谱测量的死时间小于7 μ s ;
(2)、利用主运放前的输入信号和积分延时后的信号进行比较，并利用高速比较器LMH7220产生脉冲信号；通过74HCT74和74HC123产生采样保持触发信号，从而产生中断，得到峰值预判信号；利用预判的时间来克服LMH7220、74HCT74、74HC123和相应中断的时间累积起来的测量死时间；
(3)、选用低功耗外围电路对超低功耗微处理器MSP430F5438构成的能谱采集装置供电，只用2400mAh的两节5号镍氢可充电电池，即至少可连续测量工作15小时。再进一步: 采用主运放LF356输入前的伽玛能谱信号与LF356输出的具有一定的积分延时的伽玛能谱信号送至LMH7220进行比较，作为预判峰值的信号，通过74HCT74和74HC123电路产生测控时序，并得到采样申请信号，由MSP430F5438内部采样保持及A/D转换，由MSP430F5438C语言和汇编混合编程，利用I/O中断和A/D中断的功能，完成峰值的快速检测，采样保持和转换时间不超过7μ s ；
被C语言系统程序调用的汇编子程序及其中断程序包括:汇编能谱采集子程序、定时中断子程序、Ρ2.3端口中断子程序、A/D转换中断子程序；汇编能谱采集子程序主要完成测控端口初始化、采样保持与A/D初始化、定时器及其中断初始化、测量时间参数传递，初始化后打开中断，循环等待，直到定时中断计时值等于测量参数值，则一次测量结束返回；
定时中断子程序完成每125ms累计计时到ls，然后再进行秒计时；P2.3端口中断子程序主要发出采样保持命令，随后马上关断信号输入端P2.0 ；A/D转换中断子程序主要完成打开信号的输入端P2.0，读出A/D转换值，由12位A/D值左移两次即除以4，再在相应的道址存储段单元加I。本发明的目的之二的技术方案一种实现基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法的装置，它包括中速微处理器片内A/D转换器，主运放前的输入信号和积分延时后的信号比较电路，能谱采集装置和低功耗外围电路，J304外接光电倍增管输出的光电脉冲信号经过成形、前放和基线恢复电路调理后的光电脉冲信号，信号宽度一般为I 3μ s ;将采用主运放LF356输入前的伽玛能谱信号与LF356输出的具有一定积分延时的伽玛能谱信号送至LMH7220进行比较，作为预判峰值的信号，通过74HCT74和74HC123电路产生测控时序，并得到采样申请信号，由MSP430F5438内部采样保持及A/D转换，由MSP430F5438 C语言和汇编混合编程，利用I/O中断和A/D中断的功能，完成峰值的快速检测。本发明一个伽玛光电脉冲的采样保持及A/D转换时间不超过7 μ s，该伽玛能谱采集装置的能量分辨率达到10%，信噪比较高，可分辨Am241。2节5号镍氢可充电电池，在待机(液晶屏全亮)工作时，工作电流在120mA以下；在测工作状态下，工作电流不超过160mA。如果采用2400mAh的2节镍氢可充电电池供电的话，连续工作时间至少可达15小时。因此，本装置电路简单、结构合理，测量精度高，可测量Am241的剂量。
图1是本发明实施例1的能谱汇编采集子程序图。图2是本发明实施例1的A/D转换子程序流程图。图3是本发明实施例1的信号采集符合电路。图4是本发明实施例1的微处理器系统电路。
具体实施例方式下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。因此，本发明的范围并不限于下述实施例。实施例1: 它包括中速微处理器片内A/D转换器，主运放前的输入信号和积分延时后的信号比较电路，能谱采集装置和低功耗外围电路(CMOS低功耗系列)，针对伽玛脉冲信号峰值出现后数值下降快的特点，采用峰前比较技术，完成峰值保持采样电路设计，并通过调整电位器(VR2)得到峰值保持采样点(预测点)。具体步骤是:第一步，根据所选MSP430F5438微处理器的指令周期(为20ns)，采用尽可能少的保持指令(2条)，从而确定孔径时间；第二步，根据伽玛脉冲信号峰值出现后数值下降快的特点，合理设计一个积分延时电路(由芯片LF356构成)，在完成将窄脉冲信号变换为近高斯脉冲的同时，创造出可采用峰前预检测方法的条件；第三步，将输入信号(J304的I脚)和LF356芯片的输出信号(U302的6脚)，通过高速比较器LMH7220比较后输出脉冲信号(U304的4脚)，脉冲信号最后通过74HCT74和74HC123产生采样保持触发信号。该设计通过在LF356芯片的输出信号峰值之前产生一个控制保持的指令，来克服LMH7220、74HCT74、74HC123和相应中断的时间累积起来的测量死时间。解决传统检测方式是采用高速比较器和峰值保持器所构成的采样/保持及其控制电路(SHA电路)，存在信号保持时间较长、测量误差较大且存在测量“死时间”(一般为15μ s)问题。采用主运放LF356输入前的伽玛能谱信号与LF356输出的具有一定积分延时的伽玛能谱信号送至LMH7220进行比较，作为预判峰值的信号，通过74HCT74和74HC123电路产生测控时序，并得到采样申请信号，由MSP430F5438内部采样保持及A/D转换，由MSP430F5438 C语言和汇编混合编程，利用I/O中断和A/D中断的功能，完成峰值的快速检测，采样保持和转换时间不超过7 μ S。一次采样和保持、测量与控制的主程序流程如图1，A/D中断子程序流程如图2。被C语言系统程序调用的汇编子程序及其中断程序包括:汇编能谱采集子程序(见图1)、定时中断子程序、P2.3端口中断子程序、A/D转换中断子程序(见图2)。汇编能谱采集子程序主要完成测控端口初始化、采样保持与A/D初始化、定时器及其中断初始化、测量时间参数传递，初始化后打开中断，循环等待，直到定时中断计时值等于测量参数值，则一次测量结束返回。定时中断子程序和P2.3端口中断子程序较简短，因此程序框图省略。定时中断子程序完成每125ms累计计时到ls，然后再进行秒计时。P2.3端口中断子程序主要发出采样保持命令，随后马上关断信号输入端P2.0。A/D转换中断子程序主要完成打开信号的输入端P2.0，读出A/D转换值，由12位A/D值左移两次(除以4)，再在相应的道址存储段单元加I。本发明利用TI公司的MSP430超低功耗单片机与低功耗伽玛能谱采集电路构成了一个超低功耗伽玛能谱采集装置。伽玛能谱采集电路由高速高精度运放LF356、高速比较器LMH7220、MSP430F5438、以及其他低功耗数字电路构成。该超低功耗伽玛能谱采集电路中的峰值比较电路采用了峰顶前信号比较来预判峰顶的到来，利用峰顶到来前的预判时间，来抑制后续测控时序电路的建立时间和MSP430单片机中断的建立时间，从而缩短伽玛能谱峰值采集过程中的孔径时间。利用18MHz系统主频的MSP430F5438内部的200Kbps的12位A/D转换器采集伽玛能谱信号，使得死时间小于7 μ S。该采集电路并采用2Mbytes的串行FLASH存储器M25P16连续保存512条谱线数据，并用128X64 IXD即使显示测量谱线，并即时分析出该次测量的放射性核素。该装置还利用USB3410与MSP430F5438接口，将MSP430单片机的SPI信号转换成USB信号，使该装置具有离线将能谱数据上传给计算机，以便在计算机上进行伽玛能谱分析与处理。该伽玛能谱采集装置中大部分电路采用+3.3V供电，以及利用MSP430单片机的超低功耗工作方式，使得只用两节5号可充电锂电池通过DC-DC转换，提供该采集装置与伽玛探头采集电路(包括光电倍增管、负高压产生电路和电荷放大器电路)构成的手持式伽玛能谱仪供电电源，总计功耗小于120mA，使得仪器使用市场容易买到的1800 mAh或2400 mAh的可充电5号锂电池，就可以使该仪器持续工作15 20小时，显示出该伽玛能谱采集电路的超低功耗特性。
权利要求
1.一种基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法，其特征在是: (1)、采用中速微处理器片内A/D转换器，对伽玛能谱信号的采集； (2)、采用峰前比较技术，完成峰值比较电路设计，并通过电位器调整比较点到峰值的时间； (3)、采用超低功耗微处理器MSP430F5438构成的能谱采集装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法，其特征在是: (1)、采用MSP430F5438片内200kbps12位A/D转换器，利用外部测控逻辑控制电路产生中断，在中断中快速启动采样保持，并关断输入信号；再利用A/D转换中断，在中断程序中打开输入信号，等待下一次采样保持中断产生，并完成道址计数加I处理，能谱测量的死时间小于7 μ s ; (2)、利用主运放前的输入信号和积分延时后的信号进行比较，并利用高速比较器LMH7220产生脉冲信号；通过74HCT74和74HC123产生采样保持触发信号，从而产生中断，得到峰值预判信号；利用预判的时间来克服LMH7220、74HCT74、74HC123和相应中断的时间累积起来的测量死时间； (3)、选用低功耗外围电路对超低功耗微处理器MSP430F5438构成的能谱采集装置供电，只用2400mAh的两节5号镍氢可充电电池，即至少可连续测量工作15小时。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法，其特征在是:采用主运放LF356输入前的伽玛能谱信号与LF356输出的具有一定的积分延时的伽玛能谱信号送至LMH7220进行比较，作为预判峰值的信号，通过74HCT74和74HC123电路产生测控时序，并得到采样申请信号，由MSP430F5438内部采样保持及A/D转换，由MSP430F5438 C语言和汇编混合编程，利用I/O中断和A/D中断的功能，完成峰值的快速检测，采样保持和转换时间不超过7μ s ； 被C语言系统程序调用的汇编子程序及其中断程序包括:汇编能谱采集子程序、定时中断子程序、Ρ2.3端口中断子程序、A/D转换中断子程序；汇编能谱采集子程序主要完成测控端口初始化、采样保持与A/D初始化、定时器及其中断初始化、测量时间参数传递,初始化后打开中断，循环等待，直到定时中断计时值等于测量参数值，则一次测量结束返回； 定时中断子程序完成每125ms累计计时到ls，然后再进行秒计时；P2.3端口中断子程序主要发出采样保持命令，随后马上关断信号输入端P2.0 ；A/D转换中断子程序主要完成打开信号的输入端P2.0,读出A/D转换值，由12位A/D值左移两次即除以4，再在相应的道址存储段单元加I。
4.一种实现基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法的装置，它包括中速微处理器片内A/D转换器，主运放前的输入信号和积分延时后的信号比较电路，能谱采集装置和低功耗外围电路，其特征在是:J304外接光电倍增管输出的光电脉冲信号经过成形、前放和基线恢复电路调理后的光电脉冲信号，信号宽度一般为I 3μ s ;将米用主运放LF356输入前的伽玛能谱信号与LF356输出的具有一定积分延时的伽玛能谱信号送至LMH7220进行比较，作为预判峰值的信号，通过74HCT74和74HC123电路产生测控时序，并得到采样申请信号，由MSP430F5438内部采样保持及A/D转换，由MSP430F5438 C语言和汇编混合编程，利用I/O中断和A/D中断的功能，完成峰值的快速检测。
全文摘要
本发明公开了一种基于MSP430F5438的超低功耗伽玛能谱采集方法，其特征在是一是采用中速微处理器片内A/D转换器，实现伽玛能谱信号的采集；二是采用峰前比较技术，完成峰值比较电路设计，并通过电位器调整比较点到峰值的时间；三是采用超低功耗微处理器MSP430F5438构成的能谱采集装置。本发明一个伽玛光电脉冲的采样保持及A/D转换时间不超过7μs，该伽玛能谱采集装置的能量分辨率达到10%，信噪比较高，可分辨Am241。2节5号镍氢可充电电池，在待机(液晶屏全亮)工作时，工作电流在120mA以下；在测工作状态下，工作电流不超过160mA。如果采用2400mAh的2节镍氢可充电电池供电的话，连续工作时间至少可达15小时。因此，本装置电路简单、结构合理，测量精度高，可测量Am241的剂量。
文档编号G01T1/36GK103116180SQ201310020789
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者李跃忠, 管小明, 张中良, 袁芳, 胡开明 申请人:东华理工大学