基于DSP的多道脉冲幅度分析系统硬件设计 Hardware Design of DSP Based Multi-channel Pulse Altitude Analyzer
程敬海 应启戛
流程图转换为ns图
(上海理工大学医疗器械学院，上海  200093)
摘  要介绍了一种以数字信号处理器（DSP）为核心的多道脉冲幅度分析器，它能够进行核信号的采集、处理以及传输，然后经过上位机的处理实现对射线能量和强度的分析。DSP的采用保证了信号处理的实时性。关键词  DSP  MCA  A/D转换D/A转换探测器高压
Abstract    A DSP based multi-channel pulse altitude analyzer is described. It can offer nuclear signal acquisition, process and transmission, then implement ray energy and intensity analysis through the host computer. The use of DSP can ensure its real time signal process.
Keywords  DSP  MCA  A/D conversion  Detector  High voltage
0  引言
多道脉冲幅度分析系统（MCA）是通用的核能谱数据获取和处理仪器，用途十分广泛。目前，我国的多
道系统主要通过单片机实现对核信号的数据采集、存储、能谱显示或传入上位机作进一步的分析。因此，基于单片机控制的MCA需要大量的外设及接口电路进行数据的存储和传输，整个系统十分复杂。现在，随着DSP技术的发展，其高性能的数据处理能力和内部存储器以及各种功能模块，使其在处理此类分析系统时，功能更加强大，而系统的组成却更加简单。
1  系统概述
1.1  系统组成
系统硬件框图如图1所示。信号通过DSP的ADC模块转化成数字量，经过串行接口RS －232与计算机进行通信，实现数字的传输和上位机对系统参数的设定。
图1  系统硬件框图
1.2  处理过程
探测器将所测量的射线转换成电信号，经过前置放大器、主放大器的滤波放大之后，送入峰位展宽器中进行峰位检测，并送入ADC模块实现对峰位信号的模数转换。A/D转换通
过中断方式实现并通过DSP的SCI模块传输到上位机进行数据分析。最终实现对测量信号的能量分析，作出射线能量判断和强度分析。
2  系统硬件设计
2.1  信号的输入
NaI(Tl)晶体探测器输出信号为随机信号，并且幅值非常小，因此采用电荷灵敏前置放大器对探测信号进行预放大。由于核信号的强弱和射线的能量成正比，因此测量不同能量的信号幅度会有变化。为了充分利用DSP的A/D转换模块精度，使其满量程，在电荷灵敏放大器之后加入了程控放大器。选用程控放大器AD526（可调放大倍数1、2、4、8、16）和PGA103（可调放大倍数1、10、100），两级放大器级联使放大倍数调整范围为1~1600。
为了消除信号噪声和其他干扰，程控放大器中接入滤波器进行滤波整形。滤波后信号送到模拟展宽器进行峰位展宽。模拟展宽器有比较器、电容和恒流源构成如图2所示。当信号的峰值到来时电容上的电
压恰好为峰值电压，比较放大器输出由高电平变低电平ADSOC信号，触发A/D转换模块转换电容C上的峰值电压。转换结束后，通过恒流源对C进行放电，延迟一段时间后断开恒流源，同时启动下一次A/D转换。
图2  模拟展宽器结构图
2.2  系统选用的DSP
DSP体积小，运算速度快，指令集丰富，容易实现各种功能和算法。选用TI公司定点DSP系列的TMS320LF2407A作为处理器，内部有倍频电路，外接晶振频率低，工作可靠，内部有64k数据存储器、64k程序存储器和64kI/O存储器，不需外接高速RAM，CPU时钟为40MHz，指令周期为25ns，可保证处理的实时性。
2.3  A/D转换模块
TMS320LF2407A具有带内置采样和保持的10位16通道A/D转换器，可以通过软件、事件管理器和外部ADCSOC引脚触发。中断灵活，并且可以单独访问各个转换通道结果。内置校验和自测试模式，通过使用控制寄存器可以灵活使用ADC模块，完成所需要的A/D 转换。
2.4  串行通信接口
TI公司的TMS320LF2407A内部具有两个串行通信接口SPI和SCI。SPI是一个高速同步串行接口，可以实现与外设和其它处理器之间的通信；SCI模块支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。它的接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有它独立的使能和中断标志位。两个可以独立或在全双工的方式下同时工作。SCI可以对接收的数据进行间断校验、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。控制寄存器可以实现多种波特率的选择，进而实现不同的传输速度，可以通过查询和中断的方法实现对数据的发送和接收。多道脉冲幅
度分析器（MCA）利用片内SCI模块通过RS232实现处理系统和PC机间的异步数据通信。
2.5  D/A转换模块
多道脉冲幅度分析器（MCA）利用DAC7625U模块提供一个4通道12位、双缓冲的数字模拟转换器（DAC）。4个DAC通道和DAC转换启动寄存器映射在TMS320LF2407A的I/O空间，实现对高压、峰位展宽器和线性门的控制，保证所采集信号的准确性
3  系统软件设计
3.1系统软件框图
软件部分主要实现对信号的采样、数据的传输和系统的控制。软件采用模块化的设计方法（图3）。外部中断服务程序在中断中调用，其他功能程序由监控程序或初始化模块调用。外部中断程序实现参数设定、A/D转换和接收上位机传输的命令和数据。监控程序实现对A/D 采样数据的处理和向上位机的传输。初始化程序进行TMS320LF2407A初始化，包括设置看门狗定时器，进行高压控制模块、线性门和峰位展宽的初始化，同时对ADC转换模块和SCI 通信模块控制寄存器进行初始化。复位子程序防止程序“跑飞”对DSP进行复位，使DSP 在出错之后能够及时复位。ADC中断服务子程序可以通过外部ADCSOC引脚产生A/D转换中断，实现对峰值信号的采样，同时通过通信模块产生接收中断实现上位机对D/A模块的控制和A/D转换的启停及各种参数的设置。
图3  软件模块组成
3.2  监控程序
上电后软件进行初始化，之后监控程序就开始执行，查询各模块的标志位以进行相应的操作。这些标志位在相应的中断中被置位。整个程序流程如图4所示。
图4  监控程序流程图
4  结束语
以TMS320LF2407A为核心的多道脉冲幅度分析系统实现了能谱的准确测量。同时，由于DSP内置存
储单元和ADC功能模块，节省了外部存储装置和专用的A/D转换器，降低了硬件成本，有较好的经济价值。并且DSP的处理实时可靠，处理结果稳定。
参考文献
1  刘和平，严利平，张学峰，卓清锋.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用.北京航空航天大学出版社,2002
2  清源科技.TMS320LF240x DSP应用程序设计教程.机械工业出版社,2003
3  王芝英，楼滨乔，朱俊杰，王根福.核电子技术原理.原子能出版社,1989
4  M. J. Koskelo, W. A. Sielaff, D. L. Hall, V. T. Jordanov，M. H. Kastner. Inspector-2000：A DSP-based, portable, multi-purpose MCA. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. Vol. 248. No. 2 (2001) 257-262.
第一作者程敬海，男，1974年9月生上海理工大学医疗器械学院（上海医疗器械高等专科学校）医学影像工程系在读研究生

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。