1 ATMEGA128工作原理及其特點

ATMEGA128是AVR系列中功能最強的單片機，運用Harvard結(jié)構(gòu)概念，具有預(yù)取指令功能，即程序存儲和數(shù)據(jù)存儲具有不同的存儲器和總線。當(dāng)執(zhí)行某一指令時，下一指令預(yù)先從程序存儲器中取出，程序執(zhí)行效率高^[3]。ATMEGA128指令執(zhí)行的時序圖如圖1所示。

圖 1 ATMEGA128指令執(zhí)行的時序圖

其機器周期為1個時鐘周期，絕大多數(shù)指令為單周期指令，工作頻率為16MHZ時可達到16MIPS的性能。可產(chǎn)生周期為125ns（頻率為8MHZ）的方波作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的時鐘信號，比C51單片機的速度要高20～30倍。

2 ATMEGA128控制多道脈沖幅度分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

以AVR單片機ATMEGA128作為控制核心的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)主要由程控放大電路、閾值電路、峰值保持電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲器擴展電路及USB接口電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

圖1 多道分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

γ射線探測器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶體，它和PMT（光電倍增管）及前置放大器封

裝一體，輸出與被探測能量成正比的電壓脈沖程控放大后，經(jīng)閾值電路后進入峰值保持電路。在ATMEGA128控制下，完成高速模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入擴展存儲器。待PC機發(fā)出讀取數(shù)據(jù)指令，將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸給PC機。

2.1 程控放大及閾值電路

程控放大電路采用高速（帶寬為170MHz）、低漂移的運算放大器AD9631，通過ATMEGA128調(diào)整具有I²C總線接口X9241M（數(shù)字電位器）輸出電阻，改變其放大倍率。主要目的是定期測量標準放射源特征峰(如¹³⁷Cs的特征峰是662keVγ射線的全能峰)的峰位變化—峰位漂移的“道數(shù)”，調(diào)整其倍率穩(wěn)定特征峰峰位^[4]。

閾值電路由高速精確的電壓比較器AD790（響應(yīng)時間為45ns）、X9241M及基準源組成，ATMEGA128調(diào)整X9241M輸出電阻設(shè)定其下限閾值電壓，剔除探測器輸出的低噪聲信號。

2.2 峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

代表γ射線輻射能量的電壓脈沖信號非常窄，寬度在1～2Μs左右，無法直接進行A/D轉(zhuǎn)換，將其峰值擴展后方可進行量化。由ATMEGA128控制的峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。峰值保持電路由ADG721和AD790組成。ADG721是高速COMS開關(guān)，高電平有效，開關(guān)閉合需要為24ns，斷開需要11ns。

圖3  ATMEGA128控制的峰值保持與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

峰值保持原理：開始ATMEGA128控制開關(guān)K1閉合，K2斷開。U1輸出電壓分成兩路，一路經(jīng)二極管對100PF的電容C1充電；另一路送至電壓比較器U3，與射極跟隨電路U2輸出電壓比較。當(dāng)U2輸出電壓大于U1輸出電壓時，此時電容C1保持的電壓即為峰值電壓。ATMEGA128接收到U3發(fā)出中斷信號（INT2）后控制開關(guān)K1斷開，啟動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對其采集并存儲，完成后控制開關(guān)K2閉合，對電容C1進行放電。最后控制開關(guān)K1閉合，K2斷開準備采集下一個γ事件峰值。電容C1是云母電容器，有極高的防泄露電能力，因而能夠保持窄脈沖信號的峰值。

高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，AD9220是ADI公司一款性能優(yōu)良的12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速率可達10MSPS^[5]。選擇內(nèi)部參考源，用單端輸入方式來進行采樣，一次采樣需要一個時鐘周期，其速率取決于輸入時鐘的頻率，電壓輸入范圍為0～5V。

ATMEGA128采用16MHZ晶振，機器周期為62.5ns。通過軟件編程在PD5端口產(chǎn)生周期為125ns的方波，作為AD9220進行采樣的時鐘信號（CLK）。由于每次采樣后ATMEGA128還要進行數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)存儲時間需62.5ns。故每獲得一個數(shù)據(jù)總共需要187.5 ns。經(jīng)測試表明，采用ATMEGA128成功彌補了89C51速度慢的缺點，充分發(fā)揮了AD9220高速模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能，轉(zhuǎn)換速率達到了5MS/s。

由于ATMEGA128內(nèi)部僅含有4K的數(shù)據(jù)存儲器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集量大于4K時，采用62256(32K)擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。

2.3 USB接口電路及軟件設(shè)計

采用CH375作為USB控制器，它是一個USB總線的通用設(shè)備接口芯片，內(nèi)置了USB通訊中的底層協(xié)議，支持主機方式和從機方式，具有8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）、地址輸入（A0）、讀（RD#）、寫（WR#）、片選控制線（CS#）以及中斷輸出（INT#），作為從機掛接到ATMEGA128

的數(shù)據(jù)總線上與上位機通信^[6]。CH375與ATMEGA128接口電路如圖4所示。

圖4 USB控制器CH375與ATMEGA128接口電路

在本地端，采用從機方式的CH375采用內(nèi)置固件模式。ATMEGA128對CH375的操作是采用命令加數(shù)據(jù)的I/O操作方式，任何操作都是先發(fā)命令給CH375（其命令格式參考文獻6），然后是執(zhí)行數(shù)據(jù)輸入輸出。CH375接收到計算機端發(fā)送的數(shù)據(jù)或者發(fā)送完數(shù)據(jù)后，以中斷方式通知單片機。

在計算機端，采用VC作為計算機端應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺，利用CH375動態(tài)鏈接庫DLL提供的API函數(shù)對其操作。將CH375芯片的驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫拷貝到計算機中，再將動態(tài)鏈接庫的訪問入口及函數(shù)定義入口添加至VC項目中后，對USB設(shè)備的通信編程就幾乎和訪問本地硬盤中的文件差不多了。

該系統(tǒng)探測¹³⁷Cs得到的全能峰如圖4所示，閾值電路下限閾值電壓設(shè)定為0.5V。橫坐標為能量，分4096道，縱坐標為每道的記數(shù)值。從該圖中可以得出¹³⁷Cs的半高寬為171，能量分辨率為8.09%，產(chǎn)生662KeV的γ射線譜峰的最大計數(shù)是3395，對應(yīng)的譜線道數(shù)是2115。

圖4 ¹³⁷Cs的全能峰

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)由于采用AVR單片機ATMEGA128作為主控制器和USB總線進行數(shù)據(jù)傳輸，計數(shù)率高，死時間小。不僅具有采集速率高（5MS/s）的優(yōu)點，還具有傳輸速度快（1Mbit/s）、易用、可擴展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點，已應(yīng)用到我校4兆伏靜電加速器的核輻射防護監(jiān)測系統(tǒng)中。

參考文獻

[1]謝一岡,陳昌,王曼,等. 粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2003.201-202

[2]胡榮強, 2005.

本文創(chuàng)新點：在核探測領(lǐng)域中，采用高速AVR單片機ATMEGA128作為主控制器，設(shè)計了一套性能優(yōu)良帶有USB接口的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)計數(shù)率高，死時間小。不僅具有采集速率高（5MS/s）的優(yōu)點，還具有傳輸速度快（1Mbit/s）、易用、可擴展、快速、傳輸可靠等優(yōu)點。