基于FPGA与MC8051 IP核的χ-γ剂量仪设计

杨立涛 李东仓 杨 磊 孟祥厅 杨 洋

(兰州大学核科学与技术学院 兰州 730000)

吸收剂量是放射生物学、辐射化学、辐射防护学等学科中的基本物理量，随着核科学技术的发展，各种剂量测量仪也向着高精度、宽量程、低功耗、小体积以及智能化、低成本的方向发展。现有剂量仪多以单片机控制A/D对数据进行采集、运算和显示，但单片机工作时钟频率低(十几MHz)，且其为顺序执行的工作方式，这就使它们在高精度、高速度、实时数据采集与显示等方面显得不足。另外，应用于核物理实验室、核电厂等特殊环境的剂量仪，与其它电器装置(如调制器、控制电路、大功率电源等)同时操作，存在较大的电压或电流脉冲的干扰。探测器脉冲信号或与剂量率成比例的电压信号在远距离传输时都存在衰减的问题，若将单片机系统与探测器放置在同一机箱，就使数字系统置于恶劣的辐射环境中，会对工作在低电压的数字系统造成严重干扰，如程序运行出轨、计算逻辑出错甚至元件损坏等。由此，本文设计了基于FPGA与MC8051单片机IP核的新型χ-γ剂量仪。

1 系统结构

系统分为探头和仪表部分(图 1)，探头为 NaI(TI)闪烁体探测器，探头电路由高压模块、分压电路、放大成型电路、密勒积分型泵电路和射极跟随器组成，电路简单、体积小，易于安装在探头内部。仪表部分基于FPGA芯片，由VHDL描述的等精度测频模块、MC8051单片机IP软核、LPM宏功能模块(ROM、RAM、锁相环PLL)、USB通信口以及用作外部显示和控制的液晶显示器、蜂鸣器和按键等组成。

图1 仪器系统结构图Fig.1 Architecture of the dosimeter system.

根据物质的平均授予能E正比于探头输出脉冲所包括的总电荷量Q，Q经密勒积分型泵电路积分后输出对应的电平信号Vo。经幅频转换电路后转化为频率Fx，Fx送到仪表电路，由等精度测频模块读取，送入MC8051单片机核内计算出吸收剂量率、累计剂量等值。由上所述，剂量率可表示为：

式中，常数 K1由积分电路和幅频转换电路决定(参见下文)，比例系数 K2与不同射线、仪器、应用环境及整个电路系统有关，可通过标准源来刻度，每次测量前可根据需要对其设置。液晶在实际应用中可以根据不同要求选用不同的型号。外部输入时钟为20 MHz经内嵌锁相环PLL后分别向等精度测频模块和MC8051核提供100 MHz和60 MHz的工作时钟。

2 探头部分电路设计

由图 2，Q1–Q4为精密运算放大器 CA3140，分别对探头的输出信号进行放大、整形、积分，再经射极跟随输出正比于探头输出信号的计数率n和幅度 Vi的电压信号 Vo，经幅/频转换芯片 LM331转化成频率Fx送至FPGA芯片。图中由Q3构成密勒积分型泵电路，是改进后的线性计数率泵电路。采用此电路是考虑到辐射强度不仅与计数率有关而且考虑到脉冲幅度的贡献，同时也为了连续测量辐射强度，直接指示剂量率的变化。由于放大器输入端(+)的虚地，使输出Vo的变化与Vi对C的充电几乎无关。每次脉冲作用时，C上的电荷增量恒定，而对于i(t)流入的电路，R减小A倍，C增大A倍，时间常数RC不变，输出电压Vo与输入计数n和幅度Vi成线性关系，可表示为：

其中，RC的取值需兼顾统计精度和响应速度两方面的要求。此积分电路的详细推导、模拟仿真及Vo与n和Vi线性关系的实验验证见文献[1]。

图2 探头电路原理图Fig.2 Schematics of the probe circuit.

通常采用高速A/D转换器采集外界信号，然而，核辐射的测量环境通常处于高压、高磁场、高辐射中，外界干扰十分严重，如衰减震荡波干扰、电磁场辐射干扰、静电放电干扰、以及冲击电压干扰等。若采用A/D转换会产生较大偏差，也不利于信号的远距传输。因此，我们采用电压/频率(V/F)转换器，以频率的形式传输模拟信号来抵抗外界干扰。通过VFC芯片，把电压信号转换为与其成正比的频率信号经远距离传输到仪表部分，经过快速光耦隔离，成型后由数字电路对其进行处理，实现了模拟系统与数字系统在电气上的完全隔离，进一步提高了系统的抗干扰能力。本设计中选用美国NS公司生产的性价比较高的集成芯片LM331作为幅/频转换电路的核心元件。LM331的动态范围宽(达100 dB)、线性度好(最大非线性失真<0.01%)、变换精度高(最大温漂 5×10–5/℃)，输出频率范围 1–100 kHz，输入电压范围：(Vs～ –2.0 V),当4.5 V≤Vs≤10 V时，电源电压对增益的影响为0.1%；10 V≤Vs≤40 V时，为0.06%。LM331外接电路输入、输出关系可表示为[2]:

其中外界元器件 Rs、Rl、Rt、Ct必须选择低温漂、感性小的元件，以保证电路的稳定工作，取值采用典型值(如图2)，由4式可见，Fx与Vin成正比关系，可表示为 Fx=K1Vin。可通过调整 Rs变阻器改变LM331的增益偏差以及电压与频率的比例系数。

图3为图2中放大成形积分电路部分(Q1–Q4)的输入脉冲计数率n和幅度Vi的乘积与输出电压信号 Vo的关系以及由射极跟随器(Q4)输出的电压信号Vo与经LM331构成的幅频转换电路后的输出Fx的关系，由经线性拟合的各项参数可见，输入输出保持着较好的线性关系，显示了电路设计的正确性，为后续仪表部分的精确测量提供了保障。

图3 Vo与nVi(a)及Vo与Fx(b)的线性关系Fig.3 The linear relationship between Vo and nVi(a), Vo and Fx(b).

3 仪表部分系统设计

3.1 系统电路结构

FPGA芯片是整个计量仪的核心，完成对数据Fx的读取、运算以及输入输出的控制。本设计是采用美国 ALTEAR公司生产的 cyclone系列EP1C6Q240C8N。电路结构包括锁相环PLL、测频模块FTESTER、MC8051单片机IP核以及ROM、RAM等部分(图4)。外部时钟(20 MHz)经锁相环倍频后为测频模块和单片机核提供工作时钟C0、C1。由模拟电路部分输出的频率信号Fx输入测频模块，测得值(位宽为32位)输入单片机核P2I[7..0]口，计算后由双向口 P1口送至液晶显示。数据通道选择信号SEL[2..0]由单片机P0O[6..4]口控制，而液晶显示的命令信号RS、RW、E由P2O[7..5]口控制，按键输入由P3I[7..0]控制，其余端口按默认方式[3,4]连接。

图4 基于FPGA的仪表部分电路结构图Fig.4 Schematic of meter part based on FPGA.

3.2 等精度测频模块设计

传统测频法的测量精度随着被测信号频率变化，实际应用中有很大限制。我们采用等精度测频法[5](图 5)，由两个可控 32位高速计数器(CNT1,CNT2)、64位至8位的多路选择器MUX64-8和一个D触发器构成。预置门控制信号CL由单片机提供(确定大致的测量时间)，可证明CL的时间宽度对测频精度几乎无影响。在CL有效时，当被测频率的第一个上升沿到来时，D触发器把CL信号送给Q(即ENA)启动两个计数器分别对标准信号Fs和被测信号Fx同时计数，当CL无效时，紧接着的待测信号Fx的上升沿到来时，D触发器把无效的CL送给Q(即ENA)，两个计数器同时停止计数。由于利用待测信号Fx作为D触发器的触发信号，控制两个计数的开始与停止，保证了被测信号的计数为整数个周期，这是确保被测信号Fx在任何频率条件下都能保持恒定测量精度的关键。设计中标准频率Fs由精确稳定的锁相环提供(100 MHz)，保证绝对测量误差仅10 ns。标准频率和被测频率的计数值分别为Ns和Nx，则待测频率Fx为：

图5 等精度测频原理图Fig.5 Schematic of the equal precision measurement module (EPMM).

单片机读取Start信号判断计数是否结束，从而控制数据输出通道选择信号 SEL[2..0]通过多路选择器将数据读入单片机核内，进行下一步处理。图6为等精度测频模块的仿真图，在预置门 CL控制下，Fx控制着计数的开始和停止，实际测量时间(Start)内 Fx刚好为整数个周期，保证了在各种 Fx条件下，误差只可能为Fs的量化误差。其中根据幅频转换后信号的特点，在此我们采用的是下降沿触发。图中在预置门控制时间内 Fs和Fx的记数结果分别为0000002AH和00000006H，数据在通道选择信号的控制下正确的被读出，可见等精度测频模块的功能完全正确。

图6 等精度测频模块仿真结果Fig.6 Simulation result of the EPMM.

3.3 单片机IP核内程序设计

MC8051 IP核采用完全同步设计，指令集和标准 8051微控制器完全兼容，工作时钟频率≥90 MHz，执行指令时间为1–4个时钟周期，执行性能优于标准8051微控制器8倍左右，IO口不复用，但可连接为双向口等特点[4]。上电后，对液晶及测频模块初始化，参数设置，复位后显示DOSIMTER(剂量仪)，然后执行按键扫描程序，检测按键，读取按键并执行相应的功能，实时显示剂量率变化。程序流程图如图 7，实验中成功的实现了各项功能。

4 结论

χ-γ剂量仪的设计充分考虑到辐射剂量仪的特点，利用FPGA、IP核、幅/频转换、等精度测量等特点和片上系统的设计方法，提高了系统设计的灵活性，验证了系统高精度、高速度和强抗干扰能力的特点，在稳定性、体积、功耗、扩展性和成本方面也有很大改善。本仪器更适用于恶劣的工作环境及远距离监控，可推广到更多的核电子仪器设计中。

图7 MC8051 核内程序流程图Fig.7 Program flow chart in MC8051.

1 吴怀义, 杨 磊, 陈效先, 等.新型 χ-γ射线剂量仪的设计与研制, 中国科技论文在线WU Huaiyi, YANG Lei, CHEN Xiaoxian, et al.Design and development of a new χ-γ dose rate instrument,Science paper Online, http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/38051

2 Precision voltage-to-frequency converters LM331 Datasheet.National Semiconductor Inc.http://www.national.com

3 IP core (MC8051.pdf), http://www.radioradar.net/en/datasheets-search/M/C/8/MC8051_Oregano.pdf.htm

4 马光胜, 冯 刚, 编著.SOC设计与 IP核重用技术.北京：国防工业出版社, 2006 MA Guangsheng, FENG Gang.SOC design and reuse technology of IP core.Beijing: National Defence Industrial Press, 2006

5 潘 松, 黄继业, 编著.EDA技术实用教程(第三版).北京：科学出版社, 2006 PAN Song, HUANG Jiye.Practical guide of EDA technology.3rded.Beijing: Science Press, 2006