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采用單片機和電子技術(shù)相結合所設計的儀器儀表具有許多獨特的性能以及在儀器結構和生產(chǎn)工藝等方面具有簡(jiǎn)單成本低的優(yōu)點(diǎn)。本文使用美國TI公司的MSP430F133單片機提出了一種在老式儀表的基礎上進(jìn)行全新設計的方法。對所設計的儀表在系統的硬件結構、軟件功能以及實(shí)現的方法等不同角度進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：環(huán)境放射性檢測，環(huán)境監測儀表，單片機 概述 在核污染的環(huán)境評測中，最常用的儀表是X、γ輻射空氣吸收劑量率儀。在這類(lèi)儀表中，使用的測量原理主要有以下兩種：一種方法是使用脈沖計數的方法，在這類(lèi)方法中使用光電倍增管或使用計數管對核輻射脈沖計數，通過(guò)計數量的多少反映核輻射劑量的大小。另一種方法是將測量的輻射脈沖進(jìn)行積分、放大后顯示輸出。在后一種方法中，由于綜合考慮了反映核輻射能量脈沖的數量和幅值，所以較好地反映了核輻射的劑量和劑量率。這類(lèi)儀表的系統結構如（圖一）所示。 圖一 在廠(chǎng)家多年生產(chǎn)這種類(lèi)型儀表的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現使用該方法生產(chǎn)的儀表，存在以下的問(wèn)題： [1]在積分放大電路中由于積分常數較大，而且電容的品質(zhì)對儀表參數影響甚大，因此為了得到較穩定的積分電路性能，電容的容量不能用的太大，所以在輸入積分電路中只能用提高電阻的阻值的方法來(lái)增加積分常數。這時(shí)，電阻的阻值將高達1011歐姆。如此高的阻值在電路中的應用大大地提高了儀表生產(chǎn)的工藝難度和使用時(shí)受環(huán)境影響的程度。 [2]作為影響儀表性能的關(guān)鍵探測部件-探頭中，使用的主要傳感部件為光電倍增管。它的性能參數大大地影響整個(gè)儀器的性能。在影響探頭的諸多參數中，起關(guān)鍵作用的參數為光電倍增管的暗流和蘭光靈敏度。若光電倍增管的暗流過(guò)大，將會(huì )使儀器的本底降不下來(lái)，從而使成為不合格產(chǎn)品。若光電倍增管的蘭光靈敏度太低，勢必要提高電路的放大倍數。這時(shí)若設計的放大器倍數過(guò)大，將會(huì )產(chǎn)生兩種后果：a）過(guò)大的放大倍數，將影響放大器的穩定性。b)使用電路設計上的限制，有時(shí)電路的放大倍數難以達到設計要求。 [3]在儀器的構成的諸多元素中，光電倍增管、儀器中的放大電路等都會(huì )在溫度變化的影響下產(chǎn)生參數的變化，使儀表產(chǎn)生一定的溫度漂移，從而使儀表在溫度變化的影響下，產(chǎn)生精度上的變化。這一點(diǎn)雖然在電路設計中加入了復雜的溫度補償電路，但是，由于影響因素的多樣性和非線(xiàn)性，使一般的電路補償方式難以達到理想的效果。 解決方案 根據以上存在的問(wèn)題以及對儀表性能提高的要求，在對原有儀表進(jìn)行較仔細地分析的基礎上，根據目前儀表設計、改進(jìn)的潮流方向以及單片機系統在儀表中的廣泛應用。我們對儀表在設計理念和方法上進(jìn)行了大膽的創(chuàng )新。使用德州儀器公司的MPS430F133單片機對儀表電路結構進(jìn)行了重新設計。引入了模擬 +數字放大技術(shù)；數字本底調整技術(shù)和溫度數字校正技術(shù)。應用上述原理設計出的儀器經(jīng)廠(chǎng)家生產(chǎn)和用戶(hù)試用，基本上達到了生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，使用性能穩定的設計目的。整個(gè)系統的結構描述如下： 一. 系統結構： 在考慮應用單片機設計儀表系統時(shí)，必須解決好以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）傳感器信號的輸入和處理電路。這部分電路需要滿(mǎn)足信號的輸入、調理和放大的功能。同時(shí)在電路的設計中還要兼顧放大倍數與放大器的穩定性這兩方面的問(wèn)題。（2）信號的變換，為了能將信號輸入單片機進(jìn)行信號的處理和輸出，必須將輸入放大器輸出的模擬信號變換為數字信號。（3）數字放大和本底調整控制電路，在這一部分的電路設計中，考慮到原有儀表的結構和用戶(hù)使用中的一般習慣，在這一部分的調整中仍然采用了使用電位器的模擬調整技術(shù)，只不過(guò)是將調整的模擬信號經(jīng)A/D轉換后輸入到單片機中進(jìn)行數字校正處理。（4）顯示輸出電路，根據用戶(hù)要求，儀表的輸出采用指針式表頭輸出。由于表頭的輸入信號必須為模擬信號，所以這里采用了數字PWM輸出技術(shù)，將數字信號轉變?yōu)槟M信號輸出。整個(gè)儀表系統的結構圖如（圖二）所示。由上述電路系統圖可以看出，在整個(gè)電路在對信號的處理過(guò)程中，需要完成A/D轉換，數字處理和模擬輸出這幾個(gè)環(huán)節。為了使整個(gè)系統的穩定性達到較高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的選型上，采用美國的TI公司生產(chǎn)的MSP430F133單片機。 圖二 MSP430F133系列單片機是德州儀器公司生產(chǎn)的一組具有超低功耗的、具有16位RISC結構，16位CPU寄存器和常數寄存器的微控制器。而MSP430F133是這個(gè)系列中的一款帶有8KB Flash Memory、256BRAM；有12位的帶有內部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能的A/D轉換器，以及硬件中的PWM輸出端口。它的超低功耗設計（僅微安級工作電流）正好滿(mǎn)足了便攜式儀器使用電池供電的特點(diǎn)。它所具有的片內A/D轉換器，具有精度較高和速度快的特點(diǎn)，基本上滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)采樣的要求。它所具有的16位PWM輸出端口使輸出表頭的指示更加平滑穩定。另外它內部所帶有的硬件乘法器使單片機的運算性能大大的加強。滿(mǎn)足了數字儀器復雜、快速運算的要求。另外使用在單片機內部嵌入的溫度傳感器，我們可以根據它測出的環(huán)境溫度和系統的溫度特性，對整個(gè)儀器系統進(jìn)行精確的溫度數字校正，使系統在環(huán)境溫度產(chǎn)生較大變化時(shí)仍能可靠、穩定地工作。 三. 硬件實(shí)現方案： 根據MSP430F133單片機所具有的系統資源和儀表系統的要求，作為傳感器的測量信號經(jīng)過(guò)適當放大后即可送入片內的A/D轉換器。另外，作為本底放大倍數的電位器調整信號經(jīng)適當調整后也送入了片內的A/D。一般來(lái)說(shuō)，片內的A/D為12位�；旧夏茌^準確的反映了外部信號的變化。但是由于本儀表測量數值的變化范圍為0~10000個(gè)單位，這時(shí)，僅使用片內的12位A/D所反映的信號變化范圍最大為0~4096個(gè)單位。這樣，在低量程上反映出來(lái)的測量信號就顯得分辨率不夠。如果兼顧了分辨率，就會(huì )使儀器的測量范圍達不到要求。因此，在片內A/D數位不能提高的情況下，在硬件設計上采用了分段放大轉換的設計方法，即把輸入的信號放大不同的倍數根據不同的量程分別輸入單片機內A/D不同的端口。在測量小信號時(shí)，使用大倍數的放大器輸出信號輸入A/D端口，以達到小信號較高的分辨率。而在測量大信號時(shí)，小信號的輸入端口輸入的數據已達到滿(mǎn)幅度，這時(shí)儀表將使用大信號輸入端口，以達到大信號的動(dòng)態(tài)范圍。較好的解決了片內A/D位數不足的矛盾。在輸出設計上，直接采用了數字信號的PWM輸出，即通過(guò)單片機的PWM端口輸出信號，經(jīng)過(guò)適當地濾波后，送指針儀表顯示，完成了D/A轉換輸出的功能。 四. 軟件結構及功能 作為使用微處理器的智能系統，硬件系統的性能必須有與之相配合的軟件才能使其達到設計的要求。在本文所述的測量?jì)x表中，同樣需要設計與硬件相匹配的軟件系統才能使儀表完成所設計的功能。根據儀表性能要求，在軟件設計時(shí)應著(zhù)重考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： A由于該儀表傳感器測量的核輻射信號是由閃爍體轉化而來(lái)的光脈沖信號，根據核物理理論得知，核輻射量的大小與這些脈沖信號的積分值相關(guān)。因此，在探頭將測得的脈沖信號經(jīng)放大、A/D轉換后，所得的數字信號同樣也為一組與核輻射量成正比例的脈沖信號。為了準確地反映信號的大小，系統軟件應將這些信號進(jìn)行數字積分。同時(shí)，為了在指針式表頭上穩定的顯示測量值，還要對積分所得的值進(jìn)行恰當的濾波，以避免由于指針示值不穩定而影響讀數。 B作為測量?jì)x表，為了能準確地讀數，在儀表生產(chǎn)→老化等工藝完成后還必須進(jìn)行標定。對本儀表的標定，就是調整儀表的零點(diǎn)和放大倍數。使它的顯示值與測量值相吻合。在本儀表的設計中，雖然也是采用了電位器標定調整的方法，但是這兩個(gè)電位器與儀器的輸入放大電路無(wú)關(guān)，這樣就可以最大可能的避免由于電位器引線(xiàn)過(guò)長(cháng)而對儀表放大器的影響，提高了電路的可靠性和穩定性。為了達到調整的目的，我們是將這兩個(gè)電位器接在穩壓基準電源上，通過(guò)將電位器中心抽頭調整的電壓值轉變位數字信號的方法，再使用如下公式來(lái)對輸入信號進(jìn)行標定。 式中： Sout - 經(jīng)標定校正后的顯示信號值； Sin - A/D轉換后的測量輸入信號值； Amp - 放大倍數調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值； Zero - 零點(diǎn)調整電位器中心抽頭電壓的A/D轉換值； 這樣，在標定時(shí)只需調整這兩個(gè)電位器即可達到數字標定的目的。 C作為提高儀表系統穩定性的一項重要措施，就是對系統進(jìn)行溫度補償。作為一個(gè)復雜的系統，由于受溫度影響的因素較多，所以難以總結出一個(gè)統一的數學(xué)模型來(lái)描述儀器的讀數 - 溫度的特性。因此，在這里使用試驗的方法找出系統的溫度特性曲線(xiàn)。對于這樣一個(gè)復雜的數學(xué)模型，可以使用輸入校正表格 -分段插值的方法進(jìn)行校正。用過(guò)輸入合理設計的表格和運用正確插值方法，在MPS430F133單片機的強大運算功能的支持下，使系統的溫度補償做的更加準確合理。 D在儀器的顯示部分由于使用了指針式表頭，在測量值出現突變或者測量值超過(guò)測量范圍時(shí)，將會(huì )出現表針劇烈擺動(dòng)甚至出現打針的現象。雖然我們在設計輸出時(shí)，對每一檔輸出的最大值都給予了限定，但如不采取措施仍會(huì )在測量值突變時(shí)出現打針現象和表針劇烈擺動(dòng)現象。因此在輸出軟件設計上，當輸出值變化時(shí)，表針的運動(dòng)中加入了適當的軟阻尼。實(shí)現阻尼的算法框圖見(jiàn)（圖三）。這種算法具有較好的平滑性能，使用這樣的算法，即使在指針的指示值變化較大時(shí)也能夠既快又平穩地到達新的測量值。顯示出了良好的阻尼性能。圖三 結束語(yǔ) 本文所述的通過(guò)采用16位單片機，采用模擬 -數字系統相結合的方法設計并實(shí)現的測量?jì)x表，可以較大幅度的改善和提高儀表的性能和穩定性。簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本。目前所完成的設計，僅是在實(shí)現原有功能的基礎上做了一點(diǎn)工作，對儀器的智能化還有待于進(jìn)一步挖掘。我們相信，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的工作，在儀表的自控、自標定、自動(dòng)測量等方面都會(huì )有更大的改進(jìn)。那時(shí)，不但儀表性能又進(jìn)一步的提高，而且在使用上也會(huì )更加簡(jiǎn)單、方便。 |
