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隨著半導體工藝的飛速發展和芯片設計水平的不斷進步，ARM微處理器的性能得到大幅度地提高，同時其芯片的價格也在不斷下降，嵌入式系統以其獨有的優勢，己經廣泛地滲透到科學研究和日常生活的各個方面。 本文以ARM7 LPC2132處理器為核心，結合蓋革一彌勒計數管對Time-To-Count輻射測量方法進行研究。ARM結構是基于精簡指令集計算機(RISC)原理而設計的，其指令集和相關的譯碼機制比復雜指令集計算機要簡單得多，使用一個小的、廉價的ARM微處理器就可實現很高的指令吞吐量和實時的中斷響應。基于ARM7TDMI-S核的LPC2132微處理器，其工作頻率可達到60MHz，這對于Time-To-Count技術是非常有利的，而且利用LPC2132芯片的定時/計數器引腳捕獲功能，可以直接讀取TC中的計數值，也就是說不再需要調用中斷函數讀取TC值，從而大大降低了計數前雜質時間。本文是在我師兄呂軍的《Time-To-Count測量方法初步研究》基礎上，使用了高速的ARM芯片，對基于MCS-51的Time-To-Count輻射測量系統進行了改進，進一步論證了采用高速ARM處理器芯片可以極大的提高G-M計數器的測量范圍與測量精度。 首先，討論了傳統的蓋革-彌勒計數管探測射線強度的方法，并指出傳統的脈沖測量方法的不足。然后討論了什么是Time-To-Count測量方法，對Time-To-Count測量方法的理論基礎進行分析。指出Time-To-Count方法與傳統的脈沖計數方法的區別，以及采用Time-To-Count方法進行輻射測量的可行性。 接著，詳細論述基于ARM7 LPC2132處理器的Time-To-Count輻射測量儀的原理、功能、特點以及輻射測量儀的各部分接口電路設計及相關程序的編制。 最后得出結論，通過高速32位ARM處理器的使用，Time-To-Count輻射測量儀的精度和量程均得到很大的提高，對于Y射線總量測量，使用了ARM處理器的Time-To-Count輻射測量儀的量程約為20 u R/h到1R/h，數據線性程度也比以前的Time-To-CotJnt輻射測量儀要好。所以在使用Time-To-Count方法進行的輻射測量時，如何減少雜質時間以及如何提高計數前時間的測量精度，是決定Time-To-Count輻射測量儀性能的關鍵因素。實驗用三只相同型號的J33G-M計數管分別作為探測元件，在100U R/h到lR/h的輻射場中進行試驗.每個測量點測量5次取平均，得出隨著照射量率的增大，輻射強度R的測量值偏小且與輻射真實值之間的誤差也隨之增大。如果將測量誤差限定在10％的范圍內，則此儀器的量程范圍為20 u R/h至1R/h，量程跨度近六個數量級。而用J33型G-M計數管作常規的脈沖測量，量程范圍約為50 u R/h到5000 u R/h，充分體現了運用Time-To-Count方法測量輻射強度的優越性，也從另一個角度反應了隨著計數前時間的逐漸減小，雜質時間在其中的比重越來越大，對測量結果的影響也就越來越嚴重，盡可能的減小雜質時間在Time-To-Count方法輻射測量特別是測量高強度輻射中是關鍵的。筆者用示波器測出此輻射儀器的雜質時間約為6.5 u S，所以在計算定時器值的時候減去這個雜質時間，可以增加計數前時間的精確度。通過實驗得出，在標定儀器的K值時，應該在照射量率較低的條件下行，而測得的計數前時間是否精確則需要在照射量率較高的條件下通過儀器標定來檢驗。這是因為在照射量率較低時，計數前時間較大，雜質時間對測量結果的影響不明顯，數據線斜率較穩定，適宜于確定標定系數K值，而在照射量率較高時，計數前時間很小，雜質時間對測量結果的影響較大，可以明顯的在數據線上反映出來，從而可以很好的反應出儀器的性能與量程。實驗證明了Time-To-Count測量方法中最為關鍵的環節就是如何對計數前時間進行精確測量。經過對大量實驗數據的分析，得到計數前時間中的雜質時間可分為硬件雜質時間和軟件雜質時間，并以軟件雜質時間為主，通過對程序進行合理優化，軟件雜質時間可以通過程序的改進而減少，甚至可以用數學補償的方法來抵消，從而可以得到比較精確的計數前時間，以此得到較精確的輻射強度值。對于本輻射儀，用戶可以選擇不同的工作模式來進行測量，當輻射場較弱時，通常采用規定次數測量的方式，在輻射場較強時，應該選用定時測量的方式。因為，當輻射場較弱時，如果用規定次數測量的方式，會浪費很多時間來采集足夠的脈沖信號。當輻射場較強時，由于輻射粒子很多，產生脈沖的頻率就很高，規定次數的測量會加大測量誤差，當選用定時測量的方式時，由于時間的相對加長，所以記錄的粒子數就相對的增加，從而提高儀器的測量精度。通過調研國內外先進核輻射測量儀器的發展現狀，了解到了目前最新的核輻射總量測量技術一Time-To-Count理論及其應用情況。論證了該新技術的理論原理，根據此原理，結合高速處理器ARM7 LPC2132，對以G-計數管為探測元件的Time-To-Count輻射測量儀進行設計。論文以實驗的方法論證了Time-To-Count原理測量核輻射方法的科學性，該輻射儀的量程和精度均優于以前以脈沖計數為基礎理論的MCS-51核輻射測量儀。該輻射儀具有量程寬、精度高、易操作、用戶界面友好等優點。用戶可以定期的對儀器的標定，來減小由于電子元件的老化對低儀器性能參數造成的影響，通過Time-To-Count測量方法的使用，可以極大拓寬G-M計數管的量程。就儀器中使用的J33型G-M計數管而言，G-M計數管廠家參考線性測量范圍約為50 u R/h到5000 u R/h，而用了Time-To-Count測量方法后，結合高速微處理器ARM7 LPC2132，此核輻射測量儀的量程為20 u R/h至1R/h。在允許的誤差范圍內，核輻射儀的量程比以前基于MCS-51的輻射儀提高了近200倍，而且精度也比傳統的脈沖計數方法要高，測量結果的線性程度也比傳統的方法要好。G-M計數管的使用壽命被大大延長。 綜上所述，本文取得了如下成果：對國內外Time-To-Count方法的研究現狀進行分析，指出了Time-To-Count測量方法的基本原理，并對Time-T0-Count方法理論進行了分析，推導出了計數前時間和兩個相鄰輻射粒子時間間隔之間的關系，從數學的角度論證了Time-To-Count方法的科學性。詳細說明了基于ARM 7 LPC2132的Time-To-Count輻射測量儀的硬件設計、軟件編程的過程，通過高速微處理芯片LPC2132的使用，成功完成了對基于MCS-51單片機的Time-To-Count測量儀的改進。改進后的輻射儀器具有量程寬、精度高、易操作、用戶界面友好等特點。本論文根據實驗結果總結出了Time-To-Count技術中的幾點關鍵因素，如：處理器的頻率、計數前時間、雜質時間、采樣次數和測量時間等，重點分析了雜質時間的組成以及引入雜質時間的主要因素等，對國內核輻射測量儀的研究具有一定的指導意義。
標簽： TimeToCount ARM 輻射測量儀
上傳時間： 2013-06-24
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