摘要：為滿足核輻射探測儀便攜化，智能化的要求，探討了以MSP430F169單片機為核心的多探頭核輻射劑量率儀的軟硬件實現方法。在介紹了整個系統的基礎上，對儀器設計中的關鍵問題進行了詳細說明，重點討論了通過單片機給多個探頭供高壓電的原理和分別連接多個探頭后數據傳輸的實現方法，并給出了單片機外圍電路的原理圖。試驗證明，該儀器完全可以用于核輻射探測領域，且具有小型化、數字化、低功耗等優(yōu)點。
關鍵詞：MSP430；便攜化；智能化；核輻射；多探頭
目前國內的輻射防護儀表無論是便攜式的還是固定監(jiān)測式的儀器都是采用一個探頭對應一個主機的形式，而國外已經有多個探頭對應一個主機的機型，這種多探頭輻射測量儀具有的最大優(yōu)勢就是在主機不變的情況下只需更換不同的數字探頭就可以分別測量α，β，γ的劑量率；而且測同一種射線時還可以根據不同情況選擇不同種類的探頭，利用所選探頭的優(yōu)點擴大儀器的量程；同時還避免了同類電路板的重復開發(fā)，產品的升級以及系統構成的變化只需改變軟件，這樣從很多方面都大大降低了成本。
1 系統概述
本系統由探頭和主機兩個部分組成。外接探頭內部的探測器類型包括測量α的ZnS探測器、測量β的塑料閃爍體探測器，測量γ的NaI晶體探測器，以及同時測量α，β的雙閃爍體探測器和同時測量α，β，γ的雙GM管探測器。探頭內置一片MSP430F169型單片機，以提高其數字化程度；主機是以單片機MSP430F169為核心檢測系統。MSP430F169單片機是超低功耗的16位混合信號處理器，在運算性能上比8位處理器高，遠不止兩倍。在本設計中，MSP430F169大部分時間工作于低功耗模式0情況下，此時耗電為50μA／s，只有主機向探頭發(fā)送命令時，才觸發(fā)一個極短暫運行。運行期間電流消耗250μA／MIPS左右。此系統用于查詢探頭檢測到的實時劑量率和歷史數據及設置探頭所需的參數，當射線進入各類型探測器后產生電信號，電信號經過信號調整電路轉換成標準脈沖頻率信號，探頭內單片機系統在設置的時間內對脈沖計數，再利用相應的算法計算出劑量率，將該劑量率通過RS 485總線傳送給主機，最后在主機的液晶顯示界面將劑量率顯示出來。
2 數字探頭介紹
圖1就是數字探頭的結構，將探頭數字化可以說是本設計的一個核心內容，其內部的單片機與主機中的單片機通過RS 485總線相互通信，完成修改參數，傳輸數據的功能。
數字探頭是由探測器、放大電路、甄別成型電路和一片MSP430單片機組成；而常規(guī)的模擬探頭只是由探測器和前置放大電路和脈沖成型電路組成，由此可見，數字探頭的集成度更高，智能化更強，適合編程控制。本文中所用到的數字探頭就可通過編程修改以下參數：
測量時間：0～60 s；測量次數：0～99次；校正因子：0．01～9．99；零點：-20～+20；高壓：-1 000～+500 V。
3 硬件電路設計
設計過程中的關鍵問題有兩個：一是多個數字探頭的高壓供電問題，解決辦法是采用D／A轉換模塊與單片機連接，通過軟件控制來提供可變的低電壓，然后將此低壓接入能線性放大的高壓轉換模塊為探頭供電；二是多個探頭的識別與數據傳輸問題，解決辦法是將探頭編號，并在數字探頭與單片機間采用RS 485串口連接，共連接四根線，分別是電源線，地線，A頭，B頭。探頭接收到傳送ID指令時就將自己特有的編號傳給主機，主機進行判斷，看是哪種探頭，進而轉到相應的軟件處理程序。當測完數據后采用第一片MSP430與第二片MSP430單片機雙機通信方式將劑量率送至主機。圖1中虛線框內就是數字探頭部分，這里的A～N種探測器和信號處理電路并不是指同時掛接在主機上，而是指可更換的意思。其余模塊包括128×64液晶顯示屏，底色為白色，顯示十分清晰；外部存儲器，可存儲實時數據和歷史數據；時鐘芯片，顯示年、月、日、時；報警電路，當劑量率過大時蜂鳴報警；2×2鍵盤，控制儀器選項及頁面變化。硬件連接方式如圖1所示。
4 探頭與主機通信協議
主機使用RS 485串口與智能探頭相接，采用半雙工進行通信，波特率為9 600 b／s，每幀格式為：1位起始位，8位數據位，1位停止位。探頭在向儀器發(fā)送數據設為發(fā)送狀態(tài)，其余時隙設為接收狀態(tài)。
測量不同射線的探頭都有一個ID號，以便儀器能識別不同的探頭。為了方便以后擴展與使用，探頭的ID號由5個字節(jié)組成共40位。其中，0～15位表示探頭研發(fā)的年份，用BCD碼表示0～7位為年，8～15位為世紀；16～23位表示發(fā)送出的數據是計數還是輻射的照射量；24～32位表示測量的范圍；32～39位表示測量輻射的類型。
5 軟件設計
本系統軟件設計主要分為主機程序和探頭程序兩大部分。程序在IAR Embedded Workbench軟件平臺上利用C語言進行開發(fā)，主機軟件流程圖和探頭軟件流程圖分別如圖2和圖3所示。
探頭與主機連接后，首先，探頭每隔1 s向主機發(fā)送一次自己的ID號，直到主機對該ID號進行判斷、辨識、做出正確的應答后才停止發(fā)送；然后，判斷是否需要修改探頭參數，若需要則在主機上通過鍵盤對參數進行修改，修改后發(fā)送修改參數指令至探頭；最后向探頭發(fā)送傳輸數據指令，探頭接收到指令后，根據主機發(fā)送的參數進行數據處理，計算出劑量率傳送給主機，若劑量率超出報警閥值，主機發(fā)出警報。
6 結語
儀器研制完畢后，已對空氣中的輻射劑量作了一段時間的測量，整機具有運行穩(wěn)定、靈敏度高、以及功耗低等優(yōu)點。另外當進行戶外探測時由于設計的是多探頭系統，可以方便儀器攜帶，并且可同時獲得不同類型輻射的劑量率，大大提高了探測效率。