在一些特殊場(chǎng)所,比如核電站、核潛艇、核醫(yī)療或者某些輻射研究所等地,均可能產(chǎn)生危害人身安全的輻射。因使用人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量核輻射將對(duì)操作人員造成某些不可預(yù)料的傷害,進(jìn)而可能造成嚴(yán)重的后果。因此,設(shè)計(jì)出一套具有無線通信功能的核輻射監(jiān)測(cè)儀器[1]具有重要意義。本文提出將基于nRF905的無線通信技術(shù)應(yīng)用到低功耗γ劑量率監(jiān)測(cè)儀中的設(shè)計(jì)方案,該方案中的監(jiān)測(cè)儀裝置可讓工作人員無須進(jìn)入核輻射現(xiàn)場(chǎng)就可以把危險(xiǎn)區(qū)域的γ輻射劑量率準(zhǔn)確無誤地傳送至安全區(qū)域,使得γ輻射能得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),本設(shè)計(jì)方案不僅可以用來無線傳送γ信號(hào),通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造也可運(yùn)用于其他核儀器當(dāng)中,以解決其中遠(yuǎn)距離的無線通訊問題。

1　系統(tǒng)概述

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由一個(gè)總機(jī)和多個(gè)γ劑量率無線監(jiān)測(cè)終端[2]構(gòu)成。這些終端分布在各個(gè)檢測(cè)場(chǎng)所,并預(yù)先給總機(jī)和終端機(jī)分配唯一的通信地址,當(dāng)總機(jī)需要讀取某一終端的檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),總機(jī)可配置好終端的通信地址,再通過nRF905的SPI接口把讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)的命令發(fā)射出去,終端設(shè)備檢測(cè)到該載波信號(hào)后進(jìn)行地址匹配處理,如果分析出該地址數(shù)據(jù)包與終端本身地址相匹配,那么終端設(shè)備將立刻發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)給總機(jī);而總機(jī)接收到與自身地址相匹配的數(shù)據(jù)信號(hào)后,通過預(yù)置軟件提取出有用的核數(shù)據(jù)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了γ輻射的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

2　硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以美國(guó)TI公司的MSP430F149為系統(tǒng)核心控制器,并用挪威NordicVLSI公司的nRF905芯片完成γ劑量率監(jiān)測(cè)儀的無線通信功能。系統(tǒng)的硬件配置如圖2所示。由GM管探頭輸出并經(jīng)核信號(hào)處理電路處理的脈沖信號(hào)值,經(jīng)過終端處MCU的定時(shí)器計(jì)算,再用軟件處理該值,從而可得知當(dāng)前環(huán)境中的γ劑量率,接著終端儀器再通過nRF905把該劑量率結(jié)果以無線方式傳送給總機(jī)。總機(jī)預(yù)置軟件處理完測(cè)量結(jié)果后,配合液晶顯示單元把測(cè)量結(jié)果顯示出來?？倷C(jī)鍵盤可通過無線的方式設(shè)置各終端測(cè)量參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)儀器的便攜特征,整個(gè)系統(tǒng)采用兩節(jié)五號(hào)電池供電,特使用DC-DC升壓模塊把五號(hào)電池電壓升壓為3.3V和5V以供MSP430F149、核信號(hào)測(cè)量電路以及nRF905使用。該儀器體積小,功耗低,攜帶方便。

2.1　無線傳控部分

本文設(shè)計(jì)的γ劑量率監(jiān)測(cè)儀所包含的總機(jī)和監(jiān)測(cè)終端都含有無線傳控電路,并且使用相同的主控器MSP430F149和無線數(shù)傳芯片nRF905,無線傳控電路如圖3所示。

主控芯片MSP430F149為TI公司的超低功耗16位微控器,使用電池仍可長(zhǎng)時(shí)間工作,由于其16位體系結(jié)構(gòu)以及16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器,可使該系列微控器實(shí)現(xiàn)代碼效率最大化。硬件資源包括兩個(gè)16位定時(shí)器、兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口、48個(gè)GPIO口、60K的閃速存儲(chǔ)器和2K的RAM,具備足夠的硬件資源以供本系統(tǒng)使用。

nRF905是NordicVLSI公司推出的一款32腳封裝無線收發(fā)芯片,供電電壓為1.9V至3.6V,可工作于433/868/915MHz三個(gè)頻道(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)),能自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn)),該芯片具備低功耗、高抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn),適用于遙感、遙測(cè)、無線抄表和無線工業(yè)參數(shù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

微處理器通過SPI(serialperipheralinterface)總線技術(shù)與nRF905通信。SPI通信主要由CSN,SI-MO,SOMI,UCLK這四根控制信號(hào)線完成,易于操作。nRF905不會(huì)執(zhí)行任何一條指令直到CSN數(shù)據(jù)線上電平由高狀態(tài)向低狀態(tài)轉(zhuǎn)換,當(dāng)CSN信號(hào)為低電平時(shí),nRF905開始處理主控器給它的命令信號(hào);當(dāng)微處理器提供時(shí)鐘UCLK時(shí),nRF905可利用這一時(shí)鐘信號(hào)通過SIMO和SOMI完成與主控器之間的數(shù)據(jù)交流。為達(dá)到便攜式儀器低功耗要求,項(xiàng)目特別應(yīng)用了nRF905的各種低功耗模式,以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。通過控制nRF905的三根工作方式控制線(Pwr_Up、Trx_Ce和Tx_En),可讓儀器在不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)處在低功耗狀態(tài),只有在傳接數(shù)據(jù)時(shí)才啟動(dòng)數(shù)傳芯片,這樣可有效地傳送γ劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果并盡可能地延長(zhǎng)系統(tǒng)電池使用壽命。查閱表1可確定數(shù)傳芯片工作在何種工作方式之下。

2.2　電源升壓部分

MSP430F149和nRF905工作在3.3V電壓時(shí)工作性能達(dá)到最優(yōu),而在本設(shè)計(jì)中采用兩節(jié)五號(hào)電池供電,為實(shí)現(xiàn)這一性能指標(biāo),設(shè)計(jì)選用MAX1676作為DCDC升壓模塊的主芯片,把干電池的電壓升壓為3.3V。該部分的電路如圖4所示。

對(duì)于GM管探頭所需高壓,設(shè)計(jì)中選用惠達(dá)電子公司生產(chǎn)的可調(diào)高壓直流電源模塊,該模塊使用5V直流供電系統(tǒng),可輸出0至500V的可調(diào)高壓。

主控芯片MSP430F149通過控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片MAX5821的輸出電壓,進(jìn)而調(diào)控高壓模塊輸出GM管所需高壓值,該部分電路如圖5所示。高壓模塊電路使用的5V電源,同樣采用MAX1676升壓芯片來進(jìn)行升壓操作,設(shè)計(jì)時(shí)只需將3.3V電源升壓電路略加改動(dòng)即可,此部分電路設(shè)計(jì)可參考美信公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1　總機(jī)軟件部分

總機(jī)處MSP430F149通過nRF905的無線數(shù)傳功能,實(shí)現(xiàn)接收核探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令給終端機(jī)的功能。工作人員可通過總機(jī)鍵盤對(duì)探頭參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,而12864液晶顯示單元作為人機(jī)界面把檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示出來。該部分流程如圖6所示。系統(tǒng)開始工作后,總機(jī)實(shí)時(shí)地接收終端設(shè)備13416期劉　沖,等:無線通信技術(shù)在低功耗γ劑量率監(jiān)測(cè)儀中的應(yīng)用　的檢測(cè)數(shù)據(jù),并作相應(yīng)的計(jì)算處理,當(dāng)γ劑量率超出正常水平時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警,提示工作人員采取一定的處理措施。

3.2　終端軟件部分

GM管探頭用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境當(dāng)中的γ射線,并將該射線轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出,再經(jīng)核信號(hào)調(diào)理電路處理成電脈沖;終端機(jī)主控器接收并計(jì)算該電脈沖,并把脈沖數(shù)送至nRF905發(fā)送給總機(jī)。該部分流程如圖7所示。由于將儀器安裝在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)需要進(jìn)行儀器的調(diào)試操作,所以為終端部分也配置了液晶顯示模塊,用來顯示一些基本的調(diào)試參數(shù)。