在一些特殊场所,比如核电站、核潜艇、核医疗或者某些辐射研究所等地,均可能产生危害人身安全的辐射。因使用人工现场测量核辐射将对操作人员造成某些不可预料的伤害,进而可能造成严重的后果。因此,设计出一套具有无线通信功能的核辐射监测仪器[1]具有重要意义。本文提出将基于nRF905的无线通信技术应用到低功耗γ剂量率监测仪中的设计方案,该方案中的监测仪装置可让工作人员无须进入核辐射现场就可以把危险区域的γ辐射剂量率准确无误地传送至安全区域,使得γ辐射能得到实时监测,本设计方案不仅可以用来无线传送γ信号,通过适当的技术改造也可运用于其他核仪器当中,以解决其中远距离的无线通讯问题。 1 系统概述 系统的整体结构示意图如图1所示。整个系统主要由一个总机和多个γ剂量率无线监测终端[2]构成。这些终端分布在各个检测场所,并预先给总机和终端机分配唯一的通信地址,当总机需要读取某一终端的检测数据时,总机可配置好终端的通信地址,再通过nRF905的SPI接口把读取检测数据的命令发射出去,终端设备检测到该载波信号后进行地址匹配处理,如果分析出该地址数据包与终端本身地址相匹配,那么终端设备将立刻发送检测数据给总机;而总机接收到与自身地址相匹配的数据信号后,通过预置软件提取出有用的核数据信号,从而实现了γ辐射的实时数据监测。 2 硬件设计 本设计以美国TI公司的MSP430F149为系统核心控制器,并用挪威NordicVLSI公司的nRF905芯片完成γ剂量率监测仪的无线通信功能。系统的硬件配置如图2所示。由GM管探头输出并经核信号处理电路处理的脉冲信号值,经过终端处MCU的定时器计算,再用软件处理该值,从而可得知当前环境中的γ剂量率,接着终端仪器再通过nRF905把该剂量率结果以无线方式传送给总机。总机预置软件处理完测量结果后,配合液晶显示单元把测量结果显示出来。总机键盘可通过无线的方式设置各终端测量参数。为了实现仪器的便携特征,整个系统采用两节五号电池供电,特使用DC-DC升压模块把五号电池电压升压为3.3V和5V以供MSP430F149、核信号测量电路以及nRF905使用。该仪器体积小,功耗低,携带方便。 2.1 无线传控部分 本文设计的γ剂量率监测仪所包含的总机和监测终端都含有无线传控电路,并且使用相同的主控器MSP430F149和无线数传芯片nRF905,无线传控电路如图3所示。 主控芯片MSP430F149为TI公司的超低功耗16位微控器,使用电池仍可长时间工作,由于其16位体系结构以及16位的CPU集成寄存器和常数发生器,可使该系列微控器实现代码效率最大化。硬件资源包括两个16位定时器、两个通用串行同步/异步通信接口、48个GPIO口、60K的闪速存储器和2K的RAM,具备足够的硬件资源以供本系统使用。 nRF905是NordicVLSI公司推出的一款32脚封装无线收发芯片,供电电压为1.9V至3.6V,可工作于433/868/915MHz三个频道(工业、科学和医学),能自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),该芯片具备低功耗、高抗干扰能力的优点,适用于遥感、遥测、无线抄表和无线工业参数传输等领域。 微处理器通过SPI(serialperipheralinterface)总线技术与nRF905通信。SPI通信主要由CSN,SI-MO,SOMI,UCLK这四根控制信号线完成,易于操作。nRF905不会执行任何一条指令直到CSN数据线上电平由高状态向低状态转换,当CSN信号为低电平时,nRF905开始处理主控器给它的命令信号;当微处理器提供时钟UCLK时,nRF905可利用这一时钟信号通过SIMO和SOMI完成与主控器之间的数据交流。为达到便携式仪器低功耗要求,项目特别应用了nRF905的各种低功耗模式,以降低整个系统的功耗。通过控制nRF905的三根工作方式控制线(Pwr_Up、Trx_Ce和Tx_En),可让仪器在不传输数据时处在低功耗状态,只有在传接数据时才启动数传芯片,这样可有效地传送γ剂量率监测结果并尽可能地延长系统电池使用寿命。查阅表1可确定数传芯片工作在何种工作方式之下。 2.2 电源升压部分 MSP430F149和nRF905工作在3.3V电压时工作性能达到最优,而在本设计中采用两节五号电池供电,为实现这一性能指标,设计选用MAX1676作为DCDC升压模块的主芯片,把干电池的电压升压为3.3V。该部分的电路如图4所示。 对于GM管探头所需高压,设计中选用惠达电子公司生产的可调高压直流电源模块,该模块使用5V直流供电系统,可输出0至500V的可调高压。 主控芯片MSP430F149通过控制数模转换芯片MAX5821的输出电压,进而调控高压模块输出GM管所需高压值,该部分电路如图5所示。高压模块电路使用的5V电源,同样采用MAX1676升压芯片来进行升压操作,设计时只需将3.3V电源升压电路略加改动即可,此部分电路设计可参考美信公司的数据手册。 3 软件设计 3.1 总机软件部分 总机处MSP430F149通过nRF905的无线数传功能,实现接收核探头检测数据和发送控制命令给终端机的功能。工作人员可通过总机键盘对探头参数进行设定,而12864液晶显示单元作为人机界面把检测数据实时地显示出来。该部分流程如图6所示。系统开始工作后,总机实时地接收终端设备13416期刘 冲,等:无线通信技术在低功耗γ剂量率监测仪中的应用 的检测数据,并作相应的计算处理,当γ剂量率超出正常水平时发出声光报警,提示工作人员采取一定的处理措施。 3.2 终端软件部分 GM管探头用于检测现场环境当中的γ射线,并将该射线转换成脉冲信号输出,再经核信号调理电路处理成电脉冲;终端机主控器接收并计算该电脉冲,并把脉冲数送至nRF905发送给总机。该部分流程如图7所示。由于将仪器安装在现场时需要进行仪器的调试操作,所以为终端部分也配置了液晶显示模块,用来显示一些基本的调试参数。#p#分页标题#e# 实验测试仪器整机完成后,对仪器功耗进行了相应的测试实验。当监测仪处在未发送或未接收无线数据时,整机工作电流为2.97mA;当启动无线接收功能后电流变为12.53mA,而启动无线发送功能后电流为10.32mA。由于无线接收和发送时间相当,且SPI总线波特率为9600Bi,t所以发送一帧10字节的8位二进制数据时间为8.3ms,可得出1s内仪器消耗平均电流为I=I1(1-T1)+I2T1=2.97×(1-0.0083)+11.425×0.0083=3.03mA。 这里I代表1s内仪器消耗的平均电流,I1、I2分别代表仪器未使用无线功能和使用无线收发功能时消耗的电流,T1代表无线芯片发送一帧数据消耗的时间。通过以上分析可以看出监测仪功耗低于5mA,完全实现了低功耗目标。 使用GM管探头对137Cs标准源测量的辐射信号,测得终端机和不同距离下总机的监测数据,以及将终端机放置在室内的情况下,室外总机在有障碍物时接收到的监测数据。仪器调试结果表明终端机能较好地测量核辐射信号,且总机在有障碍物和空旷处准确接收无线信号距离分别为60m和260m,部分测试数据记录于表2。(试验预设参数:零点取0.0;放大系数取1.0;校正因子取1.0)5 结论本文所提供的基于nRF905的低功耗无线γ计量率监测仪功耗低,设计电路简单,仪器成型后经反复调试功能已达要求,长时间工作无故障,无线数据传输稳定,整个仪器完全能满足γ剂量率的中远距无线监测的要求。
