摘要：本文以X射線透射衰減規(guī)律為基礎(chǔ)，提出了一種基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案。本方案重點介紹了用于能譜數(shù)據(jù)采集的硬件電路和軟件設(shè)計，其中，硬件電路主要由前置放大、濾波、主放大、峰值保持電路組成，軟件主要由TMS320F2812對經(jīng)過預(yù)處理后的脈沖信號進行多道脈沖幅度分析操作，并終繪制出X射線能譜圖。經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明本系統(tǒng)具有電路設(shè)計簡單，采樣高，抗干擾能力強等特點。

　　0 引言

　　X 射線是由高能電子在物質(zhì)中作減速運動或由原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，所以穿透性很強，廣泛應(yīng)用于射線檢測、介質(zhì)識別等多個方面。在射線能量一定時，X射線輻射強度的衰減程度只與所穿過的介質(zhì)有關(guān)，即X射線穿透不同介質(zhì)時，透射的強度不同。所以，可以通過對探測到的X 射線強度分析從而進行介質(zhì)設(shè)別的相關(guān)研究。

　　X 射線的探測是通過探測器接收到射線穿透物質(zhì)后射線的強度來實現(xiàn)的，本文采用NaI（Tl）晶體與光電倍增管組成的閃爍探測器以用于X射線的探測，探測器輸出的脈沖信號幅度與透射的射線強度成正比，所以對脈沖信號幅度的分析也就為介質(zhì)識別提供了重要的信息，本文選用高速DSP 芯片TMS320F2812 作為主控制器來完成脈沖信號幅度的分析與處理。

　　1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

　　閃爍探測器探測到的X射線強度一般比較微弱，需要經(jīng)過放大、濾波、峰值保持等預(yù)處理后，再使用DSP對處理后的信號進行A/D 轉(zhuǎn)換、脈沖幅度分析、數(shù)據(jù)的存儲以及與上位機之間的通信，終繪制出一條有關(guān)X射線強度的譜線圖。X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成：前置放大電路、濾波電路、主放大電路、峰值保持電路、DSP主控電路，其總體框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計

　　2.1 前置放大電路的設(shè)計

　　前置放大電路是整個前級預(yù)處理電路設(shè)計的關(guān)鍵，在未屏蔽的條件下，透射的X射線一般處在變壓器電磁輻射、工頻干擾、背景輻射等背景噪聲中，要想從強大的背景噪聲中提取出攜帶識別介質(zhì)信息的X射線強度，就需要整個X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的性能，而前置放大電路又是前級預(yù)處理電路前端重要的組成部分，所以本系統(tǒng)所設(shè)計的前置放大電如圖2所示。差分運算放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

　　圖2所設(shè)計的電路由3個基本運算放大器組成，其中運放A1、A2組成同相并聯(lián)輸入級放大，以提高放大器的輸入阻抗和增益，A3為差動放大，作為放大器的第二級。整個電路的共模抑制比取決于級放大電路中A1 和A2 的對稱程度，第二級放大電路的共模抑制比取決于差動運放A3 的閉環(huán)增益以及電阻的匹配。由圖2 可算出前置放大電路的輸出電壓為Uo當Ui1=Ui2 時，R2 中電流為零，故輸出電壓Uo=0.可見，電路放大差模信號，抑制共模信號。

　　2.2 濾波電路的設(shè)計

　　由于噪聲與信號同時放大，不利于后續(xù)放大電路的工作，所以信號在經(jīng)過前置放大電路放大后需要進行濾波。為了保證X射線探測的性，可在前置放大電路之后設(shè)計由壓控電壓源二階高通濾波和二階低通濾波電路串聯(lián)組成的帶通濾波電路如圖3所示。

　　圖3即是所設(shè)計的帶通濾波電路，它由有源高通和有源低通濾波串聯(lián)組成，其帶寬范圍為100 kHz~1 MHz.高通和低通濾波的運算放大器選用具有高、低偏置、低功耗的雙運放芯片LM358.根據(jù)有源濾波電路的快速設(shè)計理論，可得到高低通濾波器的各個參數(shù)。

　　高通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為100 kHz,高通濾波器的各個參數(shù)為：C1=C2=800 pF,R1=R2=20 kΩ；低通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為1 MHz,低通濾波器的各個參數(shù)為：C3=C4=1 nF,R3=R4=160 Ω。

　　2.3 主放大電路的設(shè)計

　　經(jīng)過前置放大和帶通濾波處理后的信號仍然比較微弱，其中的脈沖幅度約為400 mV且為負脈沖，由于后續(xù)ADC 電路的輸入范圍為0~3.3 V,因此脈沖信號在送入ADC 電路之前還需進一步放大，所設(shè)計的主放大電路如圖4所示。

　　由圖4所示，主放大電路采用具有低噪聲、寬帶寬、高的單運放芯片OP37組成電壓并聯(lián)負反饋電路，為使后端A/D轉(zhuǎn)換電路具有較為理想的輸入信號，主放大電路的電壓放大倍數(shù)設(shè)計為6~8 倍，因此圖中各個電阻的參數(shù)設(shè)計為：R1=25 kΩ，R3=30 kΩ，R4=200 kΩ，R2采用標稱阻值為10 kΩ的可調(diào)電位器。此外，為了避免電路中的毛刺使放大電路的輸出超過ADC的輸入電壓范圍，在主放大電路的輸出端設(shè)計了雙向限幅電路，當主放大電路的輸出高于UMax 時，二極管D1 導(dǎo)通，此時輸出電壓被限制在UMax;當主放大電路的輸出低于UMin時，二極管D2 導(dǎo)通；選擇合適的UMax 和UMin,可以把輸出電壓鉗制在0~3.3 V,滿足A/D轉(zhuǎn)換電路輸入電壓的范圍要求。

　　2.4 峰值保持電路的設(shè)計

　　經(jīng)過主放大電路處理后的脈沖信號雖然幅度較為理想，但脈沖寬度仍然較小，脈寬只有1 ms.而A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，要采到脈沖的尖峰需要對峰值電壓進行保持，同時向DSP 提出中斷請求信號，使DSP響應(yīng)中斷并啟動A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后DSP使采樣保持器復(fù)原為采樣狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，本文設(shè)計的峰值保持電路如圖5所示。

　　如圖5所示，U4是芯片LF398,它是美國半導(dǎo)體公司研制的集成采樣保持器。它只需外接一個保持電容就能完成采樣保持功能，其采樣保持控制端可直接接于TTL,CMOS 邏輯電平。U1 和U2 是高速電壓比較器LM311,U3 是上升沿觸發(fā)的雙D 觸發(fā)器，U5 是與門74LS08.經(jīng)過主放大電路處理后的脈沖信號一路輸入到閾值比較器U1,另一路輸入到由比較器U2 組成的峰值檢測電路（R3C1組成延遲電路與U2反向輸入端輸入的脈沖信號進行比較，用于判斷脈沖信號的峰值是否到來），還有一路輸入到采樣保持器LF398,而且LF398的輸出接到DSP內(nèi)ADC模塊的ADCINA0引腳上。

　　當電壓脈沖信號幅度大于閾值電壓Vref（調(diào)試過程中設(shè)定Vref 為0.5 V,電壓低于0.5 V 的即可認為是噪聲而不予考慮），比較器U1輸出高電平，產(chǎn)生上升沿，上升沿再觸發(fā)U3A,它的Q 端輸出高電平和峰值未來到時U3B的Qˉ 端相與得高電平，去控制LF398的采樣控制端進入采樣狀態(tài)。當脈沖信號到達峰值后，比較器U2 輸出高電平，得到上升沿，上升沿再觸發(fā)U3B,它的Qˉ 端輸出低電平，U5輸出低電平，LF398進入保持狀態(tài)。U3B的Qˉ 端輸出的下降沿作為DSP 捕獲單元CAP3 中斷的啟動信號，CAP3 發(fā)出信號去啟動ADC,當A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DSP 的GPIO 口輸出一個低電平作為U3 的清零信號CLR,雙D 觸發(fā)器74LS74 清零后，LF398 的采樣控制端重新進入采樣狀態(tài)，準備保持下一個脈沖的峰值。

　　2.5 DSP程序流程的設(shè)計

　　A/D轉(zhuǎn)換和脈沖幅度分析的控制是整個X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的部分，決定著能譜數(shù)據(jù)采集的和整套系統(tǒng)的性能。由于NaI探測器探測到X射線的脈沖寬度只有1 ms,一般單片機的指令周期為微秒級，所以無法滿足應(yīng)用的需求。本文設(shè)計中選用了高速DSP芯片TMS320F2812,其時鐘頻率高達150 MHz,時鐘周期為6.67 ns,使得A/D轉(zhuǎn)換、對轉(zhuǎn)換結(jié)果按幅度分類、進行計數(shù)等一系列操作能夠在一個脈沖寬度的時間內(nèi)完成；而且片內(nèi)自帶ADC模塊是一個12位分辨率、具有流水線結(jié)構(gòu)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有16個采樣通道，采樣頻率為12.5 MSPS;該芯片多可支持96個內(nèi)部的外設(shè)中斷，其中一個中斷可用于啟動A/D轉(zhuǎn)換。

　　如圖5所示，當采樣保持器LF398由采樣狀態(tài)進入保持狀態(tài)時，上升沿觸發(fā)器U3B的Qˉ 端輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生下降沿。當DSP事件管理器EV捕獲單元CAP3 捕獲到這個下降沿時，發(fā)出一個信號去啟動ADC 并進入A/D 中斷，此時高速的A/D 轉(zhuǎn)換器開始將采樣保持器LF398 保持的直流電平轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在ADC 模塊的結(jié)果寄存器中；同時，DSP 會根據(jù)此結(jié)果進行內(nèi)部RAM 尋址，并且對相應(yīng)的道址進行加1操作，隨后DSP通過通用輸入/輸出多路復(fù)用器GPIO產(chǎn)生一路低電平信號，此低電平信號輸入到U3的清零端，從而使LF398再次進入采樣狀態(tài)。在DSP 程序設(shè)計過程中預(yù)先設(shè)定好一定能譜數(shù)據(jù)采集的時間，等到規(guī)定的時間時，DSP將此次采集的能譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至外部Flash 存儲器，并且清除存儲在內(nèi)部RAM 的能譜數(shù)據(jù)，以便進行下的采集，本文DSP 處理的軟件流程如圖6所示。

　　3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

　　當X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分硬件電路調(diào)試成功時，就需要配合NaI（Tl）探測器進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。X 射線發(fā)生裝置通過給X光管加80 kV的高壓使之產(chǎn)生X射線，NaI（Tl）探測器探測到X射線后通過內(nèi)部的光電倍增管產(chǎn)生電壓脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過系統(tǒng)各部分硬件電路逐步處理后，再通過TMS320F2812 的串行通信接口SCI上傳到計算機分析處理，并終繪制出X射線能譜圖。系統(tǒng)結(jié)果的調(diào)試是在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3中完成的，調(diào)用CCS3.3的圖形顯示窗口，繪制的能譜如圖7所示。

　　由圖7 可知，本文的道址數(shù)設(shè)定為1 024,由于TMS320F2812 的ADC 是12 位，因此需要將A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行寄存器右移2位操作。整條譜線各個道址的計數(shù)率都很低，計數(shù)率的道址在250道左右，計數(shù)率不超過30.要想提高道址計數(shù)率得到較理想的譜線，可以繼續(xù)提高X光管的供電電壓或加大燈絲電流。

　　4 結(jié)論

　　本方案所設(shè)計的基于DSP 芯片TMS320F2812 的X 射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，方案介紹了用于能譜數(shù)據(jù)采集的硬件電路和軟件設(shè)計， 經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明，本方案所設(shè)計的系統(tǒng)電路簡單、性能良好并且采集處理數(shù)據(jù)能力強，在配合由NaI（Tl）晶體與光電倍增管組成的閃爍探測器時，取得了良好的效果；同時本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、輸出穩(wěn)定等特點，具有一定的應(yīng)用價值。（作者：郭錦濤，王琪，侯俊辰，任笑瑩）