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在一些特殊場所,比如核電站、核潛艇、核醫療或者某些輻射研究所等地,均可能產生危害人身安全的輻射。因使用人工現場測量核輻射將對操作人員造成某些不可預料的傷害,進而可能造成嚴重的后果。因此,設計出一套具有無線通信功能的核輻射監測儀器[1]具有重要意義。本文提出將基于nRF905的無線通信技術應用到低功耗γ劑量率監測儀中的設計方案,該方案中的監測儀裝置可讓工作人員無須進入核輻射現場就可以把危險區域的γ輻射劑量率準確無誤地傳送至安全區域,使得γ輻射能得到實時監測,本設計方案不僅可以用來無線傳送γ信號,通過適當的技術改造也可運用于其他核儀器當中,以解決其中遠距離的無線通訊問題。 1 系統概述 系統的整體結構示意圖如圖1所示。整個系統主要由一個總機和多個γ劑量率無線監測終端[2]構成。這些終端分布在各個檢測場所,并預先給總機和終端機分配唯一的通信地址,當總機需要讀取某一終端的檢測數據時,總機可配置好終端的通信地址,再通過nRF905的SPI接口把讀取檢測數據的命令發射出去,終端設備檢測到該載波信號后進行地址匹配處理,如果分析出該地址數據包與終端本身地址相匹配,那么終端設備將立刻發送檢測數據給總機;而總機接收到與自身地址相匹配的數據信號后,通過預置軟件提取出有用的核數據信號,從而實現了γ輻射的實時數據監測。 2 硬件設計 本設計以美國TI公司的MSP430F149為系統核心控制器,并用挪威NordicVLSI公司的nRF905芯片完成γ劑量率監測儀的無線通信功能。系統的硬件配置如圖2所示。由GM管探頭輸出并經核信號處理電路處理的脈沖信號值,經過終端處MCU的定時器計算,再用軟件處理該值,從而可得知當前環境中的γ劑量率,接著終端儀器再通過nRF905把該劑量率結果以無線方式傳送給總機?？倷C預置軟件處理完測量結果后,配合液晶顯示單元把測量結果顯示出來?？倷C鍵盤可通過無線的方式設置各終端測量參數。為了實現儀器的便攜特征,整個系統采用兩節五號電池供電,特使用DC-DC升壓模塊把五號電池電壓升壓為3.3V和5V以供MSP430F149、核信號測量電路以及nRF905使用。該儀器體積小,功耗低,攜帶方便。 2.1 無線傳控部分 本文設計的γ劑量率監測儀所包含的總機和監測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,使用電池仍可長時間工作,由于其16位體系結構以及16位的CPU集成寄存器和常數發生器,可使該系列微控器實現代碼效率最大化。硬件資源包括兩個16位定時器、兩個通用串行同步/異步通信接口、48個GPIO口、60K的閃速存儲器和2K的RAM,具備足夠的硬件資源以供本系統使用。 nRF905是NordicVLSI公司推出的一款32腳封裝無線收發芯片,供電電壓為1.9V至3.6V,可工作于433/868/915MHz三個頻道(工業、科學和醫學),能自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗),該芯片具備低功耗、高抗干擾能力的優點,適用于遙感、遙測、無線抄表和無線工業參數傳輸等領域。 微處理器通過SPI(serialperipheralinterface)總線技術與nRF905通信。SPI通信主要由CSN,SI-MO,SOMI,UCLK這四根控制信號線完成,易于操作。nRF905不會執行任何一條指令直到CSN數據線上電平由高狀態向低狀態轉換,當CSN信號為低電平時,nRF905開始處理主控器給它的命令信號;當微處理器提供時鐘UCLK時,nRF905可利用這一時鐘信號通過SIMO和SOMI完成與主控器之間的數據交流。為達到便攜式儀器低功耗要求,項目特別應用了nRF905的各種低功耗模式,以降低整個系統的功耗。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據時處在低功耗狀態,只有在傳接數據時才啟動數傳芯片,這樣可有效地傳送γ劑量率監測結果并盡可能地延長系統電池使用壽命。查閱表1可確定數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電壓時工作性能達到最優,而在本設計中采用兩節五號電池供電,為實現這一性能指標,設計選用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。 對于GM管探頭所需高壓,設計中選用惠達電子公司生產的可調高壓直流電源模塊,該模塊使用5V直流供電系統,可輸出0至500V的可調高壓。 主控芯片MSP430F149通過控制數模轉換芯片MAX5821的輸出電壓,進而調控高壓模塊輸出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升壓芯片來進行升壓操作,設計時只需將3.3V電源升壓電路略加改動即可,此部分電路設計可參考美信公司的數據手冊。 3 軟件設計 3.1 總機軟件部分 總機處MSP430F149通過nRF905的無線數傳功能,實現接收核探頭檢測數據和發送控制命令給終端機的功能。工作人員可通過總機鍵盤對探頭參數進行設定,而12864液晶顯示單元作為人機界面把檢測數據實時地顯示出來。該部分流程如圖6所示。系統開始工作后,總機實時地接收終端設備13416期劉 沖,等:無線通信技術在低功耗γ劑量率監測儀中的應用 的檢測數據,并作相應的計算處理,當γ劑量率超出正常水平時發出聲光報警,提示工作人員采取一定的處理措施。 3.2 終端軟件部分 GM管探頭用于檢測現場環境當中的γ射線,并將該射線轉換成脈沖信號輸出,再經核信號調理電路處理成電脈沖;終端機主控器接收并計算該電脈沖,并把脈沖數送至nRF905發送給總機。該部分流程如圖7所示。由于將儀器安裝在現場時需要進行儀器的調試操作,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試參數。#p#分頁標題#e# 實驗測試儀器整機完成后,對儀器功耗進行了相應的測試實驗。當監測儀處在未發送或未接收無線數據時,整機工作電流為2.97mA;當啟動無線接收功能后電流變為12.53mA,而啟動無線發送功能后電流為10.32mA。由于無線接收和發送時間相當,且SPI總線波特率為9600Bi,t所以發送一幀10字節的8位二進制數據時間為8.3ms,可得出1s內儀器消耗平均電流為I=I1(1-T1)+I2T1=2.97×(1-0.0083)+11.425×0.0083=3.03mA。 這里I代表1s內儀器消耗的平均電流,I1、I2分別代表儀器未使用無線功能和使用無線收發功能時消耗的電流,T1代表無線芯片發送一幀數據消耗的時間。通過以上分析可以看出監測儀功耗低于5mA,完全實現了低功耗目標。 使用GM管探頭對137Cs標準源測量的輻射信號,測得終端機和不同距離下總機的監測數據,以及將終端機放置在室內的情況下,室外總機在有障礙物時接收到的監測數據。儀器調試結果表明終端機能較好地測量核輻射信號,且總機在有障礙物和空曠處準確接收無線信號距離分別為60m和260m,部分測試數據記錄于表2。(試驗預設參數:零點取0.0;放大系數取1.0;校正因子取1.0)5 結論本文所提供的基于nRF905的低功耗無線γ計量率監測儀功耗低,設計電路簡單,儀器成型后經反復調試功能已達要求,長時間工作無故障,無線數據傳輸穩定,整個儀器完全能滿足γ劑量率的中遠距無線監測的要求。
