基于ARM单片机的核辐射探测装置设计

2017-12-14邓波

船电技术 2017年11期

邓波

基于ARM单片机的核辐射探测装置设计

邓波

（海军工程大学外训系, 武汉 430033）

核辐射的探测问题一直是工程实践中的一个难点，研究稳定性好、精确度高、响应灵敏的核辐射探测装置具有重要的工程实用价值。本文给出了一种高速核探测装置的设计与实现，该方法以ARM单片机STM32F4为控制器，以IR2110为驱动芯片，利用控制器高频时钟以及准确捕捉跳变沿的特点进行捕获测量，实验结果表明该方案能够达到快速、稳定、准确的测量。

高速核探测 ARM单片机 STM32F4 IR2110 GM计数管

0 引言

在核辐射的探测中，time-to-count方法基本消除了GM计数管死时间的影响，极大提高计数管测量上限[1]，由于计数管每工作一次后要休眠一段时间，平均工作电流很小，可大大延长计数管寿命。但time-to-count方法要求GM计数管高压切换的上升和下降时间低至几百ns，时间间隔范围测量达6个数量级，精度达到10 ns量级[2]。

1 系统设计原理

1.1探测原理

盖革－弥勒计数管[3]（GM计数管）是一种应用广泛的计数管。但由于其线性量程范围较窄，故使用Time—to—Count[4]方法拓展GM计数管量程。Time—to—Count的基本思路是在计数管输出一个脉冲后，将计数管两端的高压电压降至起始电压以下，并休眠一段比计数管死时间要长的固定时间，从而回避死时间不确定性对测量的影响。图1为Time—to—Count方法工作波形示意图。V1+V2为高压，V2为低于计数管的起始电压。通过测量图1中的工作时间，即可测量核辐射强度。核辐射强度与计数管单次工作时间成反比，即=/,数管平均有效工作时间，为与计数管有关的常数。这种工作方式对高压切换的上升时间和下降时间要求十分苛刻，必须控制在100～200 ns。故比较器的前沿要跳边要快，控制器必须要在第一时间抓捕到，才能保证定时准确。

图1 Time—to—Count方法工作波形示意图

1.2系统工作流程

电路原理框图如图2，测控单元M断开K2，接通K1，使得V1加到传感器阳极，传感器进入工作状态，定时t1[高压要尽快升起来，以准确定时t1]；核辐射进入传感器输出一个脉冲，经放大、比较后送入测控单元，定时t2，同时尽快断开K1接通K2，使传感器进入休眠状态，并持续2 ms左右，之后再重复以上过程。

2 探测部分电路设计

2.1比较器电路设计

图2电路原理框图

如图3，HV_NA为-300 V高压，所以当HV_PA为0 V时，GM计数管两端电压为300 V，低于计数管的起始电压，计数管并不会工作，比较器也不会有输出；当HV_PA为200 V时，GM计数管两端电压为500 V，计数管进入工作状态，通过比较器输出一个脉冲给控制电路。比较电压可通过调节RA4的阻值来改变。

图3 比较器电路

2.2 IR2110的半桥驱动电路

图4为IR2110的半桥驱动电路，out_h和out_l为控制电路输出的两路控制信号，HV_P为200 V正高压，HV_PA为加载到GM计数管的电压。上臂导通、下臂截止时，GM计数管上承受500 V高压正常工作；当上臂截止、下臂导通时，GM计数管承受300 V高压停止工作。

图4中C1和D3分别为自举电容和自举二极管，C3为VCC的滤波电容。假设Q1关断期间C1已经充到足够的电压。当HIN为高电平时，电容C1两端的电压加到Q1的栅极和源极之间，C1通过VB、HO、R1栅极和源级形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使Q1导通。当HIN为低电平时，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。

图4 IR2110半桥驱动电路

3 系统控制与功能实现

STM32F4[3]通用定时器包含一个16位或32位自动重装载值计数器（CNT），该计数器由可编程预分频器（PSC）驱动，最高可达84 MHz频率，即每11.9 ns可计数一次，达到精确计时。同时，将STM32F4的I/O口作为外部中断输入，可在180 ns内进入中断并进行I/O口的输出操作。图5为STM32F4上升沿触发中断并执行I/O上拉波形，通道1为上升沿的信号波形，通道2为STM32F4检测到上升沿进入中断并输出执行I/O口上拉动作。可以看出单片机的中断响应速度极快，延时在200 ns之内。同时，单片机可同时操作多个I/O口，在STM32F4中可通过在寄存器中设置ODR寄存器来控制I/O的输出状态，使用函数GPIO_Write[4]来实现。