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摘要：討論了串行總線（usb）技術應用于便 攜式多道γ能譜儀的可行性，并詳細介紹了 系統的硬件、固件、設備驅動程序以及應用程序的設計方法，zui后給出了其性能測試結果。
    關鍵詞：usb γ能譜數據采集 wdm
    野外地面γ能譜測量技術主要研究地殼巖石土壤中產生的能量范圍約為30kev～3000kev的γ射線，這里面包含著軸、鉀等天然放射性核元素信息、核工程活動產生的大量人工放射性核元素信息以及γ射線與地殼相互作用產生的相關信息。而用于獲取和處理γ能譜數據的多道γ能譜儀是重要的研究課題，其功能是把從γ射線探測器得到的脈沖信號轉換為x-y軸的能譜形式并顯示出來（x軸代表能量，y軸代表脈沖計數）。
    傳統的多道γ能譜儀一般采用nim（nuclear instrument module）插件的標準模式。但其存在體積龐大、抗*力差等缺點，不適合于野外現場測量。為適應多道γ能譜儀智能化、微機化、便攜化的實際需要，本設計采用筆記本電腦作為γ能譜儀的上位機。常用接口方式主要有rs-232c串口、紅外線端口、epp并口、usb、1394、ethernet等。這幾種接口方式的特點比較如表1所示。
表1 接口方式特點比較
方式 長度（m） 速度（b/s） 主要優點 主要缺點 
串口 15 20k 應用廣泛，研發簡單 速度慢，逐漸被淘汰 
并口 10 8m 速度較快，研發簡單 逐漸被淘汰 
紅外線 2 115k 無線傳輸 距離短，可靠性差，耗電大 
usb1.1 5 12m 傳輸穩定，速度快，使用方便，具有彈性，代表接口發展方向 協議復雜，研發難度較大 
1394 1.5 400m 傳輸速度快，具有彈性 特定用途（視頻），研發難度大 
ethernet 500 10m 傳輸可靠，使用方便 ，資源共享 特定用途（lan），研發難度大 
    經過比較輪證發現，usb作為近年出現的一種代表微機接口發展方向的新型總線規范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特點，使之非常適合作為便攜式多道γ能譜儀的接口方式。目前大多數筆記本電腦一般都有兩個以下的usb端口，usb規范規定每個端口提供5v、500ma的電量，而筆記本電腦在實際應用時，通常是通過自帶鋰電池供電的，無法提供足夠的電量給外設，這時就會造成外設工作不正常，甚至使系統崩潰。考慮到本系統下位機部分功耗較大，因此供電方式使用外置電源。
    筆者在吸收借鑒γ能譜測量技術研究成果的基礎上，進行了usb便攜式多道γ能譜儀的設計。本設計主要完成硬件、固件、設備驅動程序以及應用程序等的設計工作。
1 硬件設計
1.1 系統總線結構
    圖1所示為usb便攜式多道γ能譜儀的總體結構框圖。下位機硬件部分主要由γ射線探測系統（探頭）、脈沖信號調理電路、數字電位器、多道脈沖幅度分析器、usb接口電路以及電源電路等構成，其中探頭部分包括閃爍探測器、前置電路和高壓電路等，多道脈沖幅度分析器主要包括峰值別電路、控制電路、a/d轉換電路以及微控制器系統等。上位機由筆記本電腦系統構成。
軟件部分由固件、設備驅動和應用程序組成。
1.2 usb接口電路
    由于usb本身的控制協議較為復雜，需要使用相應的usb接口芯片。本設計采用了philips公司的usb接口芯片pdiusbd12（簡稱d12），其優點是可以選擇合適的微控制器及其開發系統進行外設開發。
    d12內部集成了串行輸入引擎（sie）、320字節的多結構fifo存儲器、收發器以及電壓調整器，支持dma方式，采用雙緩沖區技術，遵從usb1.1標準。芯片中串行輸入引擎（sie）模塊起著至關重要的作用，完成所有usb協議層功能，如同步模式識別、并/串轉換、位填充/解填充、crc檢驗/產生、包pid產生/確認、地址識別、握手信號包響應產生等。另外，d12還集成了softconnect、goodlink、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性，提高了系統的性價比。
    微控制器采用hyundai公司的gms90l32，它是一種兼容in8032微控制器的產品，其主要特點是工作電壓范圍寬（2.7v～5.5v）、功耗低、性價比高。d12與gms90l32的連接如圖2所示。本設計使用了多路地址/數據總線復用方式。
    此外，本系統選用了美國st公司的psd913f2，它是用于8位微控制器的具有大容量flash存儲器、在系統編程（isp）能夠和可編程邏輯的器件。它將地址鎖存器、flash、sram、pld等集成在一個芯片內，成功地實現了微控制器系統的“mcu+psd”兩芯片解決方案。這種方案既可簡化電路設計，節省pcb印制板空間，縮短產品開發周期，又可增加系統可靠性，降低產品功耗。
2 系統軟件設計
2.1 微控制器固件程序
    所謂固件程序就是固化在程序存儲器中的程序代碼。本系統的固件存儲在psd913f2的flash存儲器中，固件開發使用的是keil c51語言，開發平臺為μvision2集成開發環境。
    固件的開發是移植與開發相結合。本設計參考了philips公司提供的d12固件程序范例，對于usb協議操作的相關代碼可以直接移植使用，而數據采集、傳輸、存儲等部分則是全新的開發工作。
    固件程序結構如圖3所示。硬件抽象層對d12的數據讀、寫以及各種指令的寫入進行函數封裝；d12命令接口層對d12的所有控制指令的函數進行封裝；usb向量請求模塊完成usb上電配置、向量請求等各類事件的響應處理；usb協議層包括對usb協議操作的封裝以及對usb標準請求的響應；中斷服務進程包括usb中斷、adc中斷以及定時器0中斷（記錄測量時間）等。
    主程序及adc中斷服務程序流程圖如圖4所示。主程序首先完成各種初始化，然后進入主循環，等待中斷的發生，并根據標志變量執行相應的函數。當打開控制電路時，脈沖峰值別電路自動啟動a/d轉換，轉換結束信號會觸發微控制器外部中斷1，進入adc中斷服務程序，讀取a/d轉換結果并存入緩存中，然后中斷返回。
    當d12有事件需要處理時，將觸發微控制器外部中斷0，微控制器讀取d12的中斷狀態寄存器，判斷中斷的來源并作出相應的處理。若由數據端點觸發，則相應地讀取或寫入數據；若由控制端點0觸發，則判斷請求的類型。標準請求由usb協議處理模塊處理，用戶自定義向量請求由usb向量請求模塊處理。
2.2 usb設備驅動程序的設計
    在windows環境下，usb設備驅動程序遵循wdm（win32 driver mode）方式。為了簡化設計，并兼顧驅動程序的運行效率，筆者選用了driverstudio2.7工具軟件中的driverworks組件進行usb設備驅動程序的開發。driverworks為wdm設備驅動程序的開發提供了完善的支持。其中包含一個非常完善的源代碼生成工具driverwizard以及相應的類庫和驅動程序范例，它還支持在c++下進行設備驅動程序的開發。通過driverwizard生成的代碼只需要進行少量的修改可以使用，這使得驅動程序可以將精力集中在驅動功能的實現上，而不必理會太多的wdm開發細節。
    本設計在driverwizard的zui后自定義了三個ioctl接口對usb設備進行控制，如表2所示。然后在自動生成的驅動程序代碼中向相應的ioctl函數添加代碼，用函數buildverdorrequest構建usb協議的自定義向量請求（vendor request）。由編譯修改后的源代碼即可得到驅動程序文件mcad12.sys。
表2 自定義ioctl接口
自定義ioctl接口 功能說明 
mca_ioctl_start 啟動多道采集數據 
mca_ioctl_read 開始讀取數據 
mca_ioctl_start 停止多道數據 
2.3 usb應用程序的設計
    應用程序的設計在visual c++6.0開發環境下進行。根據實際要求，本設計需要在軟件中對采集的數據進行整理、分析并顯示。其功能模塊主要有數據采集、譜數據顯示、roi操作、系統刻度、譜分析等，其結構框圖如圖5所示。
    在win32系統中，usb設備被抽象為一個文件，應用程序只需要通過幾個api函數就可以實現與驅動程序中usb設備的通信。api函數如表3所示。
表3 設備文件操作api函數
api函數 功能說明 
cr-eatefile 打開設備 
readfile 從設讀取數據 
writefile 向設備發送數據 
closehandle 關閉設備 
deviceiocontrol i/o控制操作 
    本程序設計使用mfc多線程技術。單擊開始按鈕，程序就創建一個用戶接口線程，并且通過ioctl啟動usb設備，然后在此線程每隔一定時間（10～20ms）從usb總線上讀取一次數據；而程序自身的主線程則不斷地依據讀取的數據刷新屏幕，顯示多道能譜。當單擊停止按鈕或是設定采集時間到時，程序則通過ioctl停止usb設備的數據采集，終止用戶接口線程，并且停止屏幕譜線的更新。
    當創建用戶接口線程時，首先從cwinthread類派生一個ciothread類，然后調用afxbeginthread()函數創建ciothread類的對象進行初始化，啟動線程運行。根據需要可將初始化和結束代碼分別放在類的initinstance()和exitinstance()函數中。其中，initinstance()函數是從usb采集數據的線程的主要函數。從中實現對ioctl的調用、對usb設備數據的讀取等功能。其流程如圖6所示。
3 測試與結論
    實測cs放射源γ能譜如圖7所示。根據能量為0.6641mev的譜峰，系統可以自動計算能量分辨率，實測能量分辨率小于10%。
    經過嚴格測試，該系統其它主要技術指標為：γ射線能量分析范圍為20kev～3.0mev; γ能譜分析道數為1024道；放射源能量非線性系數小于5%；使用nai(t1)探測器時，整機功耗小于960mw；實測usbzui大數據傳輸速率約為1mbps；連續測量數據符合放射性統計漲落規律；設備驅動及應用程序兼容win98/2000/xp。
    上述結果表明，本系統的技術路線和軟硬件設計*，方案合理，并具有一定的創新性和實用價值。對本系統編譯稍加修改便可應用于其它基于微機的數據采集、自動化測控系統中。