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USB便携式多道γ能谱仪的设计与实现
摘要：讨论了串行总线（USB）技术应用于便 携式多道γ能谱仪的可行性，并详细介绍了 系统的硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序的设计方法，最后给出了其性能测试结果。关键词：USB γ能谱数据采集 WDM
野外地面γ能谱测量技术主要研究地壳岩石土壤中产生的能量范围约为30keV～3000keV的γ射线，这里面包含着轴、钾等天然放射性核元素信息、核工程活动产生的大量人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互作用产生的相关信息。而用于获取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研究课题，其功能是把从γ射线探测器得到的脉冲信号转换为X-Y轴的能谱形式并显示出来（X轴代表能量，Y轴代表脉冲计数）。
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传统的多道γ能谱仪一般采用NIM（Nuclear Instrument Module）插件的标准模式。但其存在体积庞大、抗干扰能力差等缺点，不适合于野外现场测量。为适应多道γ能谱仪智能化、微机化、便携化的实际需要，本设计采用笔记本电脑作为γ能谱仪的上位机。常用接口方式主要有RS-232C串口、红外线端口、EPP并口、USB、1394、Ethernet等。这几种接口方式的特点比较如表1所示。
表1 接口方式特点比较
经过比较轮证发现，USB作为近年出现的一种代表微机接口发展方向的新型总线规范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特点，使之非常适合作为便携式多道γ能谱仪的接口方式。目前大多数笔记本电脑一般都有两个以下的USB端口，USB规范规定每个端口提供5V、500mA的电量，而笔记本电脑在实际应用时，通常是通过自带锂电池供电的，无法提供足够的电量给外设，这时就会造成外设工作不正常，甚至使系统崩溃。考虑到本系统下位机部分功耗较大，因此供电方式使用外置电源。
笔者在吸收借鉴γ能谱测量技术最新研究成果的基础上，进行了USB便携式多道γ能谱仪的设计。本设计主要完成硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序等的设计工作。
图2
1 硬件设计
1.1 系统总线结构
图1所示为USB便携式多道γ能谱仪的总体结构框图。下位机硬件部分主要由γ射线探测系统（探头）、脉冲信号调理电路、数字电位器、多道脉冲幅度分析器、USB接口电路以及电源电路等构成，其中探头部分包括闪烁探测器、前置电路和高压电路等，多道脉冲幅度分析器主要包括峰值别电路、控制电路、A/D转换电路以及微控制器系统等。上位机由笔记本电脑系统构成。
软件部分由固件、设备驱动和应用程序组成。
1.2 USB接口电路
由于USB本身的控制协议较为复杂，需要使用相应的USB接口芯片。本设计采用了Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD12（简称D12），其优点是可以选择合适的微控制器及其开发系统进行外设开发。
D12内部集成了串行输入引擎（SIE）、320字节的多结构FIFO存储器、收发器以及电压调整器，支持DMA方式，采用双缓冲区技术，遵从USB1.1标准。芯片中串行输入引擎（SIE）模块起着至关重要的作用，完成所有USB协议层功能，如同步模式识别、并/串转换、位填充/解填充、CRC检验/产生、包PID产生/确认、地址识别、握手信号包响应产生等。另外，D12还集成了SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性，提高了系统的性价比。
图4
微控制器采用HYUNDAI公司的GMS90L32，它是一种兼容Intel8032微控制器的产品，其主要特点是工作电压范围宽（2.7V～5.5V）、功耗低、性价比高。D12与GMS90L32的连接如图2所示。本设计使用了多路地址/数据总线复用方式。
此外，本系统选用了美国ST公司的PSD913F2，它是用于8位微控制器的具有大容量FLASH存储器、在系统编程（ISP）能够和可编程逻辑的器件。它将地址锁存器、FLASH、SRAM、PLD等集成在一个芯片内，成功地实现了微控制器系统的“MCU+PSD”两芯片解决方案。这种方案既可简化电路设计，节省PCB印制板空间，缩短产品开发周期，又可增加系统可靠性，降低产品功耗。
2 系统软件设计
2.1 微控制器固件程序
所谓固件程序就是固化在程序存储器中的程序代码。本系统的固件存储在PSD913F2的Flash存储器中，固件开发使用的是Keil C51语言，开发平台为μVision2集成开发环境。
固件的开发是移植与开发相结合。本设计参考了Philips公司提供的D12固件程序范例，对于USB协议操作的相关代码可以直接移植使用，而数据采集、传输、存储等部分则是全新的开发工作。
固件程序结构如图3所示。硬件抽象层对D12的数据读、写以及各种指令的写入进行函数封装；D12命令接口层对D12的所有控制指令的函数进行封装；USB向量请求模块完成USB上电配置、向量请求等各类事件的响应处理；USB协议层包括对USB协议操作的封装以及对USB标准请求的响应；中断服务进程包括USB中断、ADC中断以及定时器0中断（记录测量时间）等。
主程序及ADC中断服务程序流程图如图4所示。主程序首先完成各种初始化，然后进入主循环，等待中断的发生，并根据标志变量执行相应的函数。当打开控制电路时，脉冲峰值别电路自动启动A/D转换，转换结束信号会触发微控制器外部中断1，进入ADC中断服务程序，读取A/D转换结果并存入缓存中，然后中断返回。
当D12有事件需要处理时，将触发微控制器外部中断0，微控制器读取D12的中断状态寄存器，判断中断的来源并作出相应的处理。若由数据端点触发，则相应地读取或写入数据；若由控制端点0触发，则判断请求的类型。标准请求由USB协议处理模块处理，用户自定义向量请求由USB向量请求模块处理。
2.2 USB设备驱动程序的设计
在Windows环境下，USB设备驱动程序遵循WDM（Win32 Driver Mode）方式。为了简化设计，并兼顾驱动程序的运行效率，笔者选用了DriverStudio2.7工具软件中的DriverWorks组件进行USB设备驱动程序的开发。DriverWorks为WDM设备驱动程序的开发提供了完善的支持。其中包含一个非常完善的源代码生成工具DriverWizard以及相应的类库和驱动程序范例，它还支持在C++下进行设备驱动程序的开发。通过DriverWizard生成的代码只需要进行少量的修改可以使用，这使得驱动程序开发者可以将精力集中在驱动功能的实现上，而不必理会太多的WDM开发细节。
本设计在DriverWizard的最后自定义了三个IOCTL接口对USB设备进行控制，如表2所示。然后在自动生成的驱动程序代码中向相应的IOCTL函数添加代码，用函数BuildVerdorRequest构建USB协议的自定义向量请求（Vendor Request）。由编译修改后的源代码即可得到驱动程序文件McaD12.SYS。
表2 自定义IOCTL接口
2.3 USB应用程序的设计
应用程序的设计在Visual C++6.0开发环境下进行。根据实际要求，本设计需要在软件中对采集的数据进行整理、分析并显示。其功能模块主要有数据采集、谱数据显示、ROI操作、系统刻度、谱分析等，其结构框图如图5所示。
在Win32系统中，USB设备被抽象为一个文件，应用程序只需要通过几个API函数就可以实现与驱动程序中USB设备的通信。API函数如表3所示。
表3 设备文件操作API函数
本程序设计使用MFC多线程技术。单击开始按钮，程序就创建一个用户接口线程，并且通过IOCTL启动USB设备，然后在此线程每隔一定时间（10～20ms）从USB总线上读取一次数据；而程序自身的主线程则不断地依据读取的数据刷新屏幕，显示多道能谱。当单击停止按钮或是设定采集时间到时，程序则通过IOCTL停止USB设备的数据采集，终止用户接口线程，并且停止屏幕谱线的更新。
当创建用户接口线程时，首先从CwinThread类派生一个CioThread类，然后调用AfxBeginThread()函数创建CioThread类的对象进行初始化，启动线程运行。根据需要可将初始化和结束代码分别放在类的InitInstance()和ExitInstance()函数中。其中，InitInstance()函数是从USB采集数据的线程的主要函数。从中实现对IOCTL的调用、对USB设备数据的读取等功能。其流程如图6所示。
3 测试与结论
实测Cs放射源γ能谱如图7所示。根据能量为0.6641MeV的谱峰，系统可以自动计算能量分辨率，实测能量分辨率小于10%。
经过严格测试，该系统其它主要技术指标为：γ射线能量分析范围为20keV～3.0MeV; γ能谱分析道数为1024道；放射源能量非线性系数小于5%；使用NaI(T1)探测器时，整机功耗小于960mW；实测USB最大数据传输速率约为1Mbps；连续测量数据符合放射性统计涨落规律；设备驱动及应用程序兼容Win98/2000/XP。
上述结果表明，本系统的技术路线和软硬件设计先进，方案合理，并具有一定的创新性和实用价值。对本系统编译稍加修改便可应用于其它基于微机的数据采集、自动化测控系统中。
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