CN111522048A - 一种基于高速fpga核心的双模式辐射剂量仪 - Google Patents

Abstract

一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，包括外围电路模块和利用FPGA构建的核心处理器，外围电路模块包括信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、电源模块、功能切换模块，信号处理模块一端连接信号采集模块，信号处理模块另一端连接到核心处理器，高低压切换模块两端分别连接到信号采集模块和核心处理器，电源模块、功能切换模块分别单独连接到核心处理器；信号采集模块连接到GM计数器用于采集GM计数器的脉冲信号；信号处理模块用于将信号采集模块采集到的模拟信号转变为数字信号；高低压切换模块控制GM计数器阳极电压以控制GM计数器的工作状态；功能切换模块用于切换时间模式和计数模式；电源模块用于给整个电路供电。

Description

一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪

技术领域

本发明涉及辐射剂量仪领域，特别涉及一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪。

背景技术

作为使用时间最早、应用广泛的盖格计数器(简写GM计数器)，它具有价格便宜、性能稳定、脉冲幅度大、使用简便等优点，但是盖格计数器也存在一些固有缺点，例如死时间、脉冲堆积、能量响应较差等问题。在一定的电压下，一定时间间隔内射入盖格计数器的粒子数目与辐射强度成正比。但在实际测量过程中，由于受死时间、脉冲堆积以及电子电路噪声等因素的影响，测量值会产生漏记，并不能真实地反应入射粒子的数目。在强辐射场下，漏计数问题愈发明显，实际测量的结果误差较大。后来为了从根本上解决分辨时间导致的高剂量率下的漏计数问题，在上世纪末出现了Time-to-Count测量方法。目前，公开报道的以此方法为探测手段的辐射仪的核心多以单片机为主，处理器较为落后，工作频率较低，而且功能单一。由于单片机核心频率的限制，要充分发挥Time-to-Count方法的优势，需要更高主频的核心和更高精度的定时器。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，使用FPGA作为核心处理器，可自动或手动选择计数模式或时间模式，在时间模式中充分利用Time-to-Count方法，实现了辐射的宽量程测量，解决了现有技术中测量方法单一，且Time-to-Count测量方法受限于单片机，导致测量范围较窄的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，包括外围电路模块和利用FPGA构建的核心处理器，所述外围电路模块包括GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、电源模块、功能切换模块，所述GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、核心处理器、高低压切换模块依次串接形成一个回路，所述功能切换模块分别单独连接到核心处理器，所述电源模块连接到核心处理器和GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、功能切换模块；

所述GM计数器用于将辐射强度信号转换为电脉冲信号；

所述信号采集模块连接到GM计数器，用于采集GM计数器的电脉冲信号得到模拟信号；

所述信号处理模块用于将信号采集模块采集到的模拟信号转换为数字信号；

所述高低压切换模块用于根据核心处理器的控制信号，控制GM计数器阳极电压以控制GM计数器的工作状态；

所述功能切换模块用于切换时间模式和计数模式，核心处理器判断功能切换模块中选择的是时间模式时，执行时间模式程序；当核心处理器判断功能切换模块中选择的是计数模式时，执行默认的计数模式；当功能切换模块未选择模式时，默认开启计数功能，同时核心处理器对GM计数器进行计时，计时未达到时间阈值时，等待再次判断，当计时达到时间阈值时，判断计数值是否小于计数阈值频率，当小于计数阈值频率时选择计数模式，执行默认的计数模式；当达到计数阈值频率时，选择时间模式，执行时间模式程序；

所述电源模块用于给整个外围电路模块和核心处理器供电。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述电源模块包括低压电源和高压电源，所述低压电源提供+12V、+3.3V、+2.5V、+1.2V这4种规格的直流电源，高压电源提供GM计数器工作所需的高压直流电源，其中：

低压电源：电源适配器提供+12V电源，通过集成开关稳压降到5V，然后第一路依次使用线性稳压芯片降至3.3V再到1.2V，第二路从5V降到2.5V，最后使用电路中旁路电容进行滤波；所述电源适配器为整个电源模块提供稳定初始电源。

高压电源：高压电源的输入端+VIN接+12V电源，-VIN端和GND端接地，ADJ端介入可调电阻的滑动接点，高压电源的VREF端接到可调电阻的一个固定端，可调电阻的另一固定端接地，高压电源的HV端输出端输出高压直流电源。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述信号采集模块为连接到GM计数器的RC微分电路，其中GM计数器正极接电源模块，GM计数器负极通过电阻R3后接地，所述GM计数器负极还连接到电容C11的一端，所述电容C11另一端连接到信号处理模块。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述信号处理模块包括六路施密特触发反向器U3，其中：六路施密特触发反向器U3的1A引脚通过电阻R21后连接到稳压二极管Z1的负极，所述稳压二极管Z1的正极接地，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚通过通过电阻R22后连接到核心处理器，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚还通过电容C13后接地，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚连接到电源模块，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚还通过电容C14后接地。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述高低压切换模块通过控制GM计数器阳极连接到的电压大小从而调节GM计数器的工作状态，高低压切换模块主要包括光耦合器PH1和MOSFET管Q1，其中：光耦合器PH1的2号引脚通过电阻R4后连接到核心处理器的高低压切换引脚，光耦合器PH1的3、8号引脚接地，光耦合器PH1的VCC引脚接电源模块，光耦合器PH1的VCC引脚还连接一个电容C12后接地；光耦合器PH1的1、4、7号引脚悬空，光耦合器PH1的6号引脚通过电阻R5后并接到电阻R6和MOSFET管Q1的B极，所述电阻R6的另一端连接到发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地，MOSFET管Q1的C极通过电阻R2后并接到电阻R1和GM计数器阳极，MOSFET管Q1的E极接地。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述功能切换模块为：电阻R9一端连接到核心处理器的M6引脚，电阻R9另一端通过电阻R7后连接到电源模块，电阻R9另一端还通过按键开关K1后接地；

电阻R11一端连接到核心处理器的N6引脚，电阻R11另一端通过电阻R8后连接到电源模块，电阻R11另一端还通过按键开关K2后接地。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述外围电路模块还包括超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块，所述超阈值报警模块、显示模块和通讯模块分别单独连接到核心处理器；所述电源模块连接到超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块；

所述显示模块根据核心处理器的处理后的数据显示计数率和等待时间；

所述超阈值报警模块根据核心处理器的告警信号警告危险状态；

所述通讯模块用于核心处理器和外部进行通讯。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述超阈值报警模块包括蜂鸣器、三极管Q2、二极管和发光二极管LED3，其中三极管Q2的B极连接到核心处理器，三极管Q2的E极连接到电源模块，三极管Q2的C极连接到蜂鸣器的正极，蜂鸣器负极接地；在蜂鸣器两端反向并联一个二极管；所述发光二极管LED3的负极接地，正极接到核心处理器。

为了更好地实现本方案，进一步地，所述通讯模块采用蓝牙模块。

本发明所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，针对盖格计数器的固有缺点，基于Time-to-Count测量原理，设计了一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，有效的拓展了盖格计数器的量程范围，延长了探测器的使用寿命，本方案的主控核心处理器是FPGA，FPGA工作频率高、计时更加准确、功能可定制、扩展方便。因此，采用FPGA为核心基于Nios II的处理器，能够更好发发挥Time-to-Count方法的优点，实现辐射的宽量程测量。

第一步要根据自身需求定制一个Nios II软核处理器作为核心处理器，CPU的选型由系统需求决定，辐射仪剂量率的浮点运算会消耗处理器大量的内部资源，本方案选择了快速型Nios II/f型处理器，该处理器具有浮点运算硬件加速功能，只需手动添加即可。然后将核心处理器的时钟频率设置为100MHz。

仪器内部使用一个GM计数器(即盖革计数器)作为探测元件，将信号采集模块连接到GM计数器，信号处理模块一端连接信号采集模块，另一端连接到核心处理器，高低压切换模块两端分别连接到信号采集模块和核心处理器，电源模块、功能切换模块分别单独连接到核心处理器；在测量过程中，当辐射强度较低时，自动进入计数模式，计数模式运用脉冲计数方法；当辐射强度较高时，自动进入时间模式来实现模式自动切换，时间模式采用Time-to-Count测量方法，也可以根据需求手动选择模式，从而实现一机多用。

具体的测量过程为：给辐射仪上电以后，首先延迟100ms，这样做的目的是使辐射仪上电完全稳定后开始工作。首先要进行系统的初始化，紧接着判断是否有按键按下，若判断为真，则继续判断是哪一个按键被按下，如果是计数功能键被按下，就去执行计数模式的程序，如果是时间功能键被按下，则转而执行时间模式的程序。若判断为假，先开定时器0，再开外部中断0，执行系统默认的计时功能，接着判断是否达到时间阈值，若达到，顺序执行下一条指令，否则原地等待再判断。开启默认的计数功能时，如果辐射场强度过大，大于计数阈值频率，就说明死时间已经开始影响的到盖格计数器的正常工作了，很有可能造成漏计数，传统的计数模式准确度将会降低，因此，辐射仪系统会自动判定进入时间模式。处在计数模式时，屏幕会显示计数值和累计计数值，处在时间模式时，屏幕会显示等待时间值和累计时间倒数值。如果测定的值大于阈值时，立刻进入报警程序，否则继续往下执行，判断是否完成测量，若判定为真，则结束测量，若判定为假，则循环执行测量程序，程序返回到按键检测语句。每次测量前都会检测一个时间阈值内的计数个数，自动选择模式。

计数模式是利用传统的GM计数器计数法，设定为测量一个时间阈值内的计数值，因为系统默认会开启计数功能，所以在进入计数模式子程序时，高压一直稳定地加载在盖格计数器阳极上，因此，第一步要确认关闭外部中断0，然后打开定时器1开启一个时间阈值定时，同时再打开外部中断0，这样做的目的是防止打开定时器0以前，外部中断持续执行造成计数偏多。接着程序判断一个时间阈值定时是否到达，若判定为假，程序停留在此处等待再判断，直到达到一个时间阈值为止；若判定为真，关闭定时器1，关闭外部中断0，记录一个时间阈值内计数值并显示在屏幕上。

时间模式是利用Time-to-Count方法，设定为测量开启高压后第一个脉冲到达的时间值。系统进入时间模式以后，由于在自动判定选择模式时，外部中断0被关闭了，所以在打开定时器2之后需要再次打开外部中断。当第一个脉冲信号触发外部中断时，立刻关闭定时器2和高压，读取定时器2的值。处于时间模式时，表明辐照场的辐射强度较大，此时盖格计数器的死时间会给测量结果带来严重影响，因此，在时间模式子程序中，延时5ms规避分辨时间后再开启高压。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，使用FPGA作为核心处理器，可自动或手动选择计数模式或时间模式，在时间模式中充分利用Time-to-Count方法，提高了辐射的测量范围量程；

2.本发明所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，使用FPGA作为核心处理器，在本方案的双模式辐射剂量仪，测量模式的选择可以手动可以自动，测量模式的选择比单一方法更多，并且选择更自由；

3.本发明所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，使用FPGA作为核心处理器，可自动或手动选择计数模式或时间模式，在高剂量率时自动选择时间模式中，充分利用Time-to-Count方法，在高剂量率的测量中，误差率更低。

附图说明

为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的各模块结构框图；

图2是本发明的整体流程框图；

图3是本发明的计数模式流程框图；

图4是本发明的时间模式流程框图；

图5是本发明的双模式误差随剂量率的变化图；

图6是本发明的核心处理器电路示意图；

图7是本发明的超阈值报警模块电路示意图；

图8是本发明的显示模块内部驱动芯片电路示意图；

图9是本发明的低压电源电路示意图；

图10是本发明的高压电源电路示意图；

图11是本发明的信号采集模块及GM计数器电路示意图；

图12是本发明的信号采集模块采集信号示意图；

图13是本发明的信号处理模块电路示意图；

图14是本发明的SN74HC14N应用曲线图；

图15是本发明的高低压切换模块电路示意图；

图16是本发明的功能切换模块电路示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1至图16对本发明作详细说明。

实施例1

一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，如图1，包括外围电路模块和利用FPGA构建的核心处理器，所述外围电路模块包括GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、电源模块、功能切换模块，所述GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、核心处理器、高低压切换模块依次串接形成一个回路，所述功能切换模块分别单独连接到核心处理器，所述电源模块连接到核心处理器和GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、功能切换模块；

所述GM计数器用于将辐射强度信号转换为电脉冲信号；

所述信号采集模块连接到GM计数器，用于采集GM计数器的电脉冲信号得到模拟信号；

所述信号处理模块用于将信号采集模块采集到的模拟信号转换为数字信号；

所述高低压切换模块用于根据核心处理器的控制信号，控制GM计数器阳极电压以控制GM计数器的工作状态；

所述功能切换模块用于切换时间模式和计数模式，核心处理器判断功能切换模块中选择的是时间模式时，执行时间模式程序；当核心处理器判断功能切换模块中选择的是计数模式时，执行默认的计数模式；当功能切换模块未选择模式时，默认开启计数功能，同时核心处理器对GM计数器进行计时，计时未达到时间阈值时，等待再次判断，当计时达到时间阈值时，判断计数值是否小于计数阈值频率，当小于计数阈值频率时选择计数模式，执行默认的计数模式；当达到计数阈值频率时，选择时间模式，执行时间模式程序；

所述电源模块用于给整个外围电路模块和核心处理器供电。

工作原理：本发明所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，针对盖格计数器的固有缺点，基于Time-to-Count测量原理，设计了一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，有效的拓展了盖格计数器的量程范围，延长了探测器的使用寿命，本方案的主控核心处理器是FPGA，FPGA工作频率高、计时更加准确、功能可定制、扩展方便。因此，采用FPGA为核心基于Nios II的处理器，能够更好发发挥Time-to-Count方法的优点，实现辐射的宽量程测量。

如图6，第一步要根据自身需求定制一个Nios II软核处理器作为核心处理器，CPU的选型由系统需求决定，辐射仪剂量率的浮点运算会消耗处理器大量的内部资源，本方案选择了快速型Nios II/f型处理器，该处理器具有浮点运算硬件加速功能，只需手动添加即可。然后将核心处理器的时钟频率设置为100MHz。

本方案的流程框图如图2-图4，仪器内部使用一个GM计数器(即盖革计数器)作为探测元件，将信号采集模块连接到GM计数器，信号处理模块一端连接信号采集模块，另一端连接到核心处理器，高低压切换模块两端分别连接到信号采集模块和核心处理器，电源模块、功能切换模块分别单独连接到核心处理器；在测量过程中，当辐射强度较低时，自动进入计数模式，计数模式运用脉冲计数方法；当辐射强度较高时，自动进入时间模式来实现模式自动切换，时间模式采用Time-to-Count测量方法，也可以根据需求手动选择模式，从而实现一机多用，如图5，是本方案的双模式误差随剂量率的变化图，由图5可以得知，在高剂量率时，选择时间模式，即Time-to-Count测量方法，比传统计数模式的误差低很多。

实施例2

本方案在实施例1的基础上，进一步地，所述外围电路模块还包括超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块，所述超阈值报警模块、显示模块和通讯模块分别单独连接到核心处理器；所述电源模块连接到超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块；

所述显示模块根据核心处理器的处理后的数据显示计数率和等待时间；

所述超阈值报警模块根据核心处理器的告警信号警告危险状态；

所述通讯模块用于核心处理器和外部进行通讯。

进一步地，如图7，所述超阈值报警模块包括蜂鸣器、三极管Q2、二极管和发光二极管LED3，其中三极管Q2的B极连接到核心处理器，三极管Q2的E极连接到电源模块，三极管Q2的C极连接到蜂鸣器BZ1的正极，蜂鸣器BZ1负极接地；在蜂鸣器BZ1两端反向并联一个二极管；所述发光二极管LED3的负极接地，正极接到核心处理器。蜂鸣器BZ1选用的是3.3V有源电磁式蜂鸣器，三极管Q2选用S9012，S9012是一种常见的PNP型功率三极管，R10的取值为1kΩ(取值太大会使三极管进入放大区，取值太小会导致电流过大烧坏三极管)。三极管的B极通过R10接到FPGA的P8引脚，E极接到3.3V，C极接一个15Ω的电阻R16到蜂鸣器正极，蜂鸣器的负极接地，由于所选的蜂鸣器内部有电感线圈，通电时储存电能，突然断开之后的瞬间会产生较大的反电动势，所以在蜂鸣器的两端反向并联一个1N4148二极管来遏制反峰电压。当辐射值低于阈值时，P8输出高电平，B极和E极之间的压差几乎为0，B极和E极断开，三极管截止，E极和C极不导通，蜂鸣器BZ1不发声，同时L6输出低电平，LED3不发光；当辐射值超过阈值时，P8输出低电平，B极和E极之间的压差约为3.3V，B极和E极导通，三极管饱和导通，E极和C极导通，蜂鸣器BZ1发声，同时L6输出高电平，LED发光。

进一步地，所述通讯模块采用蓝牙模块，该模块具体参数如下：

型号：HC-05；

空中速率：2Mbps；

工作频段：2.4G；

通信电流：15mA；

输入电压：3.3V，电源自带防反接；

发射功率：4dBm；

通信距离：空旷环境下为10m。

该模块共有6个引脚接口，其中STATE、EN分别是蓝牙状态引出脚和使能端，实验中没有使用，将它们悬空。使用该模块不需要电平转换，RXD引脚直接接上FPGA的L6引脚，L6引脚已经被定义为软核处理器的TXD端口。同样的，TXD引脚直接接上FPGA的N6引脚，N6引脚已经被定义为软核处理器的RXD端口，这样配对成功后就可以进行全双工串口通信了。VCC接上+3.3V电源，GND接地。

进一步地，所述电源模块包括低压电源和高压电源，所述低压电源提供+12V、+3.3V、+2.5V、+1.2V这4种规格的直流电源，高压电源提供GM计数器工作所需的高压直流电源，其中：

显示模块内部驱动芯片如图8，我们选用OLED模块作为本方案中的显示模块，用来显示计数率和等待时间，该模块所需要的关键元器件是OLED，OLED中文名称是有机发光显示器，在有电流流过时内部的有机材料就会发光。通常应用于手机屏幕、电视机和嵌入式设备中。本实施例所用的屏幕是中景园电子科技有限公司生产的1.3寸点阵OLED，OLED的显示区域是132×64的点阵，可显示汉字、ASCLL、图案等。OLED关键电气参数见下表1。

序号	名称	参数说明
			1	电源电压	宽输入：直接支持DC3.3V～5V
2	高分辨率	132×64，比LCD12864的点阵更加密集
			3	广可视角度	：>160°，基本没有视角限制，从侧面看也不会失真
4	低功耗	全屏点亮时0.08W，远低于TFT、LCD技术
			5	通信方式	I<sup>2</sup>C，I/O口占用少，只需4个I/O口就可以驱动

表1

低压电源：如图9，电源适配器提供+12V电源，通过集成开关稳压降到5V，然后第一路依次使用线性稳压芯片降至3.3V再到1.2V，第二路从5V降到2.5V，最后使用电路中旁路电容进行滤波，其中+3.3V的电源一是用来给SN74HC14N供电的，二是用来给FPGA的I/O供电，三是给超阈值报警模块中的蜂鸣器以及LED提供电能。3.3V通过集成三端稳压芯片AMS1117-3.3从5V得到。

+2.5V给Flash供电，通过集成三端稳压芯片AMS1117-2.5从5V得到。1.2V给FPGA芯片供电，采用SPX3819M-1.2芯片从5V取得。

+12V的电源有两个用途，其一是用来提供给高压电源的；其二是给光耦TLP250供电。FPGA工作电源采用开关电源芯片MAX750A经AMS1117-3.3和AMS1117-1.2获得。MAX750A的引脚功能如表2所示；

表2

高压电源：如图10，高压电源的输入端+VIN接+12V电源，-VIN端和GND端接地，ADJ端介入可调电阻的滑动接点，高压电源的VREF端接到可调电阻的一个固定端，可调电阻的另一固定端接地，高压电源的HV端输出端输出高压直流电源，本实施例使用的高压电源为科索电子公司生产的KDHM-C型系列微小型普通高压DC-DC电源模块，其以体积小、功耗低、响应快、性能稳定为主要特点，广泛应用于核测试仪器以及其他相关光子探测器等仪器中光电倍增管的供电，高压电源模块关键电气参数见下表3。

表3

进一步地，如图11，所述信号采集模块为连接到GM计数器的RC微分电路，其中GM计数器正极接电源模块，GM计数器负极通过电阻R3后接地，所述GM计数器负极还连接到电容C11的一端，所述电容C11另一端连接到信号处理模块。本实施例使用的GM计数器为J305βγ型，J305βγ型计数管为玻璃外壳，圆柱形结构，阴极的材料是氧化锡，内部充有卤族元素气体，J305βγ型计数管能够探测(0.02～0.12)cGy/h的γ射线，能量响应范围为50keV～1.5MeV，其推荐工作电压为380V～400V，起始电压：＜＜300V，温度范围为-22℃～55℃,本次所使用的电压是380V。GM计数器使用正高压，R3作为阴极取样电阻，原始信号从GM计数器阴极和R3之间输出，在电容C11的耦合作用下，将GM计数器输出的电流信号转换成具有一定幅值和脉冲宽度的电压信号。上诉过程本质上就是一个电容瞬时充电放电的过程，电流先给电容C11充电，由于RC很大，在充电过程中R3上流过的电荷可以忽略，所有电荷被电容吸收，C11电压达到顶峰。电容充满时，其内部电荷沿着RC回路放电，C11的电压按指数下降，经过RC采集电路之后的信号如图12所示。

进一步地，如图13，所述信号处理模块包括六路施密特触发反向器U3，其中：SN74HC14N型六路施密特触发反向器U3的1A引脚通过电阻R21后连接到1N4728A系列3.3V稳压二极管Z1的负极，所述稳压二极管Z1的正极接地，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚通过通过电阻R22后连接到核心处理器，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚还通过电容C13后接地，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚连接到电源模块，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚还通过电容C14后接地。稳压二极管在该电路中起到上限幅二极管的作用，限幅的目的是保护SN74HC14N，以免接收的信号幅度过大导致其损坏。使用时，稳压管正极接地，负极串联一个电阻接入信号电路。1N4728A进入稳压区的最小电流是76mA，经计算将R21电阻阻值取值为33Ω，既能够保证稳压管电流达到稳压区最小电流，又不会使稳压管功率过大而损坏。SN74HC14N是6路施密特触发反向器，其特点是低功耗，速度快。它可以将抖动的输入信号转换成稳定清晰的输出信号。SN74HC14N的关键电气参数如下：电源电压VCC：2～6V；电源电流ICC：20μA(最大)；输入嵌位电流IIK：±20mA；输入电压II：VCC(最大)；延迟时间tpd+tt：50ns(最大)。其中延迟时间包括信号在器件内的传播延时tpd和转换延时tt。在实验时，我们主要关注的是翻转阈值电压VT+，根据数据手册，其VT+电气特性见表4。

表4

SN74HC14N的输入电压是3.3V，理论上可得其触发最小阈值电压约为1.15V，最大值约为2.4V，而我们所使用的卤素盖革管产生的正常脉冲幅度平均在6V左右，满足触发反向条件，SN74HC14N的应用曲线如图14所示。

进一步地，如图15，高低压切换模块用于让GM计数器在“工作”状态与“预工作”状态之间来回切换，实际上就是控制GM计数器阳极的电压在380V和260V两个值之间发生瞬态跳变。该模块所需要的关键元器件有TLP250和IRFBC40。所述高低压切换模块通过控制GM计数器阳极连接到的电压大小从而调节GM计数器的工作状态，高低压切换模块主要包括光耦合器PH1和MOSFET管Q1，其中：光耦合器PH1的2号引脚通过电阻R4后连接到核心处理器的高低压切换引脚，光耦合器PH1的3、8号引脚接地，光耦合器PH1的VCC引脚接电源模块，光耦合器PH1的VCC引脚还连接一个电容C12后接地；光耦合器PH1的1、4、7号引脚悬空，光耦合器PH1的6号引脚通过电阻R5后并接到电阻R6和MOSFET管Q1的B极，所述电阻R6的另一端连接到发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地，MOSFET管Q1的C极通过电阻R2后并接到电阻R1和GM计数器阳极，MOSFET管Q1的E极接地。

TLP250光耦合器内部由一个砷化镓铝红外光电二极管和一个集成光探测器构成。当二极管发光时，光探测器连接的两端导通从而实现开关作用。TLP250适合于栅极驱动的IGBT管和功率MOSFET管，TLP250的关键电气参数如表5所示。

序号	名称	参数说明
			1	输入阈值电流I<sub>F</sub>	5mA(最大)
2	电源电流I<sub>CC</sub>	11mA(最大)
			3	电源电压VCC	10～35V
4	输出电流I<sub>O</sub>	±0.5A(最大)
			5	开关时间t<sub>PLH</sub>/t<sub>PHL</sub>	0.45μs(最大)

表5

IRFBC40是N沟道功率金属-氧化物半导体场效应晶体管，具有耐高压、驱动方式简单、导通电阻小、开关速度快、安全工作区宽、无热击穿效应等优点。其关键电气参数如下：漏源击穿电压VDSS：600V；漏极电流ID：2A；开启电压VGS：±20V；导通电阻RDS：1.2Ω；导通延迟时间tD(on)：18ns；关断延迟时间tD(off)：15ns。使用时，IRFBC40的栅极接到R6上；源极接地；漏极接到分压电阻R2上。

当辐射仪处于计数模式时，FPGA的I/O口处于低电平，TLP250不导通，IRFBC40处于截止状态，R2所在的分压电路也不导通，高压经过限流电阻R1加载在GM计数器阳极上，经过计算后得知，R1的电流非常小，满足0805封装的功率要求。当辐射仪处于时间模式时，FPGA的I/O口处于高电平，R4所在回路导通，二极管发光，集成光探测器使TLP250的5号引脚和6号引脚导通，12V的电源通过R5和R6到地，此时，R6的电压值约为10V，这10V电压同样加载在IRFBC40的G极和S极两端，这个电压值越大，开关时间越短，10V满足开启电压条件，IRFBC40导通，R2接地从而实现分压功能。此时，加载在GM计数器阳极的电压值为

GM计数器处于“预工作”状态。

如图16，所述功能切换模块为：电阻R9一端连接到核心处理器的M6引脚，电阻R9另一端通过电阻R7后连接到电源模块，电阻R9另一端还通过按键开关K1后接地；电阻R11一端连接到核心处理器的N6引脚，电阻R11另一端通过电阻R8后连接到电源模块，电阻R11另一端还通过按键开关K2后接地。在处理器读取I/O口状态时，绝对禁止悬空，否则处理器无法读取造成程序跑飞或硬件瘫痪。在按键按下以前需要让FPGA的M6和N6引脚处于一个确定的电平状态，因此加入上拉电阻拉高其电平来避免引脚悬空造成的误动作，电阻R7和R8起到限流作用，以免电路中灌电流过大导致FPGA的I/O损坏。

具体的测量过程为：给辐射仪上电以后，首先延迟100ms，这样做的目的是使辐射仪上电完全稳定后开始工作。首先要进行系统的初始化，紧接着判断是否有按键按下，若判断为真，则继续判断是哪一个按键被按下，如果是计数功能键被按下，就去执行计数模式的程序，如果是时间功能键被按下，则转而执行时间模式的程序。若判断为假，先开定时器0，再开外部中断0，执行系统默认的计数功能，接着判断1s定时是否达到，若达到，顺序执行下一条指令，否则原地等待再判断。开启默认的计数功能时，如果辐射场强度过大，大于某数值，就说明死时间已经开始影响的到盖格计数器的正常工作了，很有可能造成漏计数，传统的计数模式准确度将会降低，因此，辐射仪系统会自动判定进入时间模式。处在计数模式时，屏幕会显示计数值和累计计数值，处在时间模式时，屏幕会显示等待时间值和累计时间倒数值。如果测定的值大于阈值时，立刻进入报警程序，否则继续往下执行，判断是否完成测量，若判定为真，则结束测量，若判定为假，则循环执行测量程序，程序返回到按键检测语句。每次测量前都会检测1s内的计数个数，自动选择模式。

计数模式是利用传统的GM计数器计数法，设定为测量1s内的计数值，因为系统默认会开启计数功能，所以在进入计数模式子程序时，高压一直稳定地加载在盖格计数器阳极上，因此，第一步要确认关闭外部中断0，然后打开定时器1开启1s定时，同时再打开外部中断0，这样做的目的是防止打开定时器0以前，外部中断持续执行造成计数偏多。接着程序判断1s定时是否到达，若判定为假，程序停留在此处等待再判断，直到达到1s为止；若判定为真，关闭定时器1，关闭外部中断0，记录1s内计数值并显示在屏幕上。

时间模式是利用Time-to-Count方法，设定为测量开启高压后第一个脉冲到达的时间值。系统进入时间模式以后，由于在自动判定选择模式时，外部中断0被关闭了，所以在打开定时器2之后需要再次打开外部中断。当第一个脉冲信号触发外部中断时，立刻关闭定时器2和高压，读取定时器2的值。处于时间模式时，表明辐照场的辐射强度较大，此时盖格计数器的死时间会给测量结果带来严重影响，因此，在时间模式子程序中，延时5ms规避分辨时间后再开启高压。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，包括外围电路模块和利用FPGA构建的核心处理器，其特征在于：所述外围电路模块包括GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、电源模块、功能切换模块，所述GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、核心处理器、高低压切换模块依次串接形成一个回路，所述功能切换模块分别单独连接到核心处理器，所述电源模块连接到核心处理器和GM计数器、信号采集模块、信号处理模块、高低压切换模块、功能切换模块；

所述GM计数器用于将辐射强度信号转换为电脉冲信号；

所述信号采集模块连接到GM计数器，用于采集GM计数器的电脉冲信号得到模拟信号；

所述信号处理模块用于将信号采集模块采集到的模拟信号转换为数字信号；

所述高低压切换模块用于根据核心处理器的控制信号，控制GM计数器阳极电压以控制GM计数器的工作状态；

所述功能切换模块用于切换时间模式和计数模式，核心处理器判断功能切换模块中选择的是时间模式时，执行时间模式程序；当核心处理器判断功能切换模块中选择的是计数模式时，执行默认的计数模式；当功能切换模块未选择模式时，默认开启计数功能，同时核心处理器对GM计数器进行计时，计时未达到时间阈值时，等待再次判断，当计时达到时间阈值时，判断计数值是否小于计数阈值频率，当小于计数阈值频率时选择计数模式，执行默认的计数模式；当达到计数阈值频率时，选择时间模式，执行时间模式程序；

所述电源模块用于给整个外围电路模块和核心处理器供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述电源模块包括低压电源和高压电源，所述低压电源提供+12V、+3.3V、+2.5V、+1.2V这4种规格的直流电源，高压电源提供GM计数器工作所需的高压直流电源，其中：

低压电源：电源适配器提供+12V电源，通过集成开关稳压降到5V，然后第一路依次使用线性稳压芯片降至3.3V再到1.2V，第二路从5V降到2.5V，最后使用电路中旁路电容进行滤波；所述电源适配器为整个电源模块提供稳定初始电源；

高压电源：高压电源的输入端+VIN接+12V电源，-VIN端和GND端接地，ADJ端介入可调电阻的滑动接点，高压电源的VREF端接到可调电阻的一个固定端，可调电阻的另一固定端接地，高压电源的HV端输出端输出高压直流电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述信号采集模块为连接到GM计数器的RC微分电路，其中GM计数器正极接电源模块，GM计数器负极通过电阻R3后接地，所述GM计数器负极还连接到电容C11的一端，所述电容C11另一端连接到信号处理模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述信号处理模块包括六路施密特触发反向器U3，其中：六路施密特触发反向器U3的1A引脚通过电阻R21后连接到稳压二极管Z1的负极，所述稳压二极管Z1的正极接地，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚通过通过电阻R22后连接到核心处理器，六路施密特触发反向器U3的1Y引脚还通过电容C13后接地，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚连接到电源模块，六路施密特触发反向器U3的VCC引脚还通过电容C14后接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述高低压切换模块通过控制GM计数器阳极连接到的电压大小从而调节GM计数器的工作状态，高低压切换模块主要包括光耦合器PH1和MOSFET管Q1，其中：光耦合器PH1的2号引脚通过电阻R4后连接到核心处理器的高低压切换引脚，光耦合器PH1的3、8号引脚接地，光耦合器PH1的VCC引脚接电源模块，光耦合器PH1的VCC引脚还连接一个电容C12后接地；光耦合器PH1的1、4、7号引脚悬空，光耦合器PH1的6号引脚通过电阻R5后并接到电阻R6和MOSFET管Q1的B极，所述电阻R6的另一端连接到发光二极管LED2的正极，发光二极管LED2的负极接地，MOSFET管Q1的C极通过电阻R2后并接到电阻R1和GM计数器阳极，MOSFET管Q1的E极接地。

6.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述功能切换模块为：电阻R9一端连接到核心处理器的M6引脚，电阻R9另一端通过电阻R7后连接到电源模块，电阻R9另一端还通过按键开关K1后接地；

电阻R11一端连接到核心处理器的N6引脚，电阻R11另一端通过电阻R8后连接到电源模块，电阻R11另一端还通过按键开关K2后接地。

7.根据权利要求1所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述外围电路模块还包括超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块，所述超阈值报警模块、显示模块和通讯模块分别单独连接到核心处理器；所述电源模块连接到超阈值报警模块、OLED显示模块和通讯模块；

所述显示模块根据核心处理器的处理后的数据显示计数率和等待时间；

所述超阈值报警模块根据核心处理器的告警信号警告危险状态；

所述通讯模块用于核心处理器和外部进行通讯。

8.根据权利要求7所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述超阈值报警模块包括蜂鸣器、三极管Q2、二极管和发光二极管LED3，其中三极管Q2的B极连接到核心处理器，三极管Q2的E极连接到电源模块模块，三极管Q2的C极连接到蜂鸣器的正极，蜂鸣器负极接地；在蜂鸣器两端反向并联一个二极管；所述发光二极管LED3的负极接地，正极接到核心处理器。

9.根据权利要求7所述的一种基于高速FPGA核心的双模式辐射剂量仪，其特征在于：所述通讯模块采用蓝牙模块。

Images