CIT-3000F 便攜式γ能譜儀軟件設計說明及流程圖

1、1. 項目情況簡介CIT-3000F便攜式Y能譜儀軟件是四川新先達測控技術有限公司專門為便攜式伽瑪能譜儀定制的配套的嵌入式軟件。該軟件集Y能譜數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析于一體，用戶可以完成Y能譜的原始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的高級處理、顯示以及建立數(shù)據(jù)分析模型并自動分析計算放射性核素含量與相應比活度。同時，儀器分析參數(shù)、數(shù)據(jù)計算模型及用戶數(shù)據(jù)均以文件方式存儲于SD卡。圖1數(shù)據(jù)采集部分結構框圖圖2CIT-3000F主控系統(tǒng)框圖2. 開發(fā)環(huán)境硬件平臺：Windows平臺計算機，C8051F060單片機，C8051F500單片機軟件平臺：KeiluVisionKeilC51是美國KeilSoftware公司出品的

2、51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有CIT-3000F便攜式Y能譜儀軟件設計說明及流程圖V3.05明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。KeilC51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢；與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的

3、優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。3. 軟件架構CIT-3000F便攜式伽瑪能譜儀嵌入式軟件是以C8051F500嵌入式處理器為處理器硬件平臺，基于KeilC51編程實現(xiàn)的軟件，軟件主要功能包括：數(shù)據(jù)采集通訊模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)模型模塊，參數(shù)設置模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊等。軟件架構如圖1所示。圖3CIT-3000F便攜式伽瑪能譜儀軟件架構圖4. 軟件功能實現(xiàn)CIT-3000F便攜式伽瑪能譜儀嵌入式軟件的功能主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、模型建立

4、、參數(shù)分析等功能模塊。數(shù)據(jù)處理模塊包括譜線數(shù)據(jù)的平滑處理、FFT數(shù)據(jù)濾波、高斯濾波；數(shù)據(jù)顯示模塊主要實現(xiàn)了譜線數(shù)據(jù)的實時、縮放比例顯示，測量時間顯示，測量狀態(tài)顯示，測量參數(shù)與結果顯示等；數(shù)學模型模型主要實現(xiàn)通過標準樣品放射性核素模型U、Th、K、0（本地模型）建立數(shù)學分析模型，并通過已建立的數(shù)學分析模型分析出未知樣品中的放射性核素的含量以及相應比活度；參數(shù)設置主要完成測量參數(shù)如測量時間、測量道范圍、能量刻度等功能。數(shù)據(jù)分析模塊主要基于建立的數(shù)學模型模塊完成對已采集到的能譜數(shù)據(jù)進行有效分析，獲得分析結果；結果輸出模塊是完成數(shù)據(jù)保存成文件，完成分析數(shù)據(jù)與結果的SD卡存儲功能。數(shù)據(jù)通訊模塊是基于自定

5、義“握手”協(xié)議建立嵌入式軟件與多道數(shù)據(jù)采集板卡的“無縫”聯(lián)結，完成數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)通訊采用高可靠的CAN總線實現(xiàn)，直接采用C8051F060的CAN接口與數(shù)據(jù)采集板C8051F500的CAN接口實現(xiàn)多道脈沖數(shù)據(jù)的交換。CAN通訊協(xié)議：控制命令幀格式AA55CMD1CMD2CMD3000000CMD1=0x52CMD2=AMPHCMD2=AMPL設置增益CMD1=0x53CMD2=SetTimeCMD2=0X00設置時間，啟動測量CMD1=0x54CMD2=0X00CMD2=0X00讀取譜數(shù)據(jù)應答指令幀格式D1D2D3D4D5D6D7D8命令應答幀AA55FFFFFFFFFFFF時間應答幀Ti

6、meHTimeLC1C2C3C40000數(shù)據(jù)應答幀CH1HCH1LCH2HCH2LCH3HCH3LCH4HCH4L一次完整的譜數(shù)據(jù)包括一個時間應答幀64個數(shù)據(jù)應答幀，構成一條完整的256道丫能譜。5. 安全保密為了提高軟件的可靠性與安全性，本軟件采用了雙線程及雙緩沖技術，經多年的測試發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信可靠，數(shù)據(jù)出錯率幾乎為0，軟件出錯率極低。6. 程序說明一級功能測試控制、參數(shù)設置、計算結果、數(shù)據(jù)管理。二級功能開始測量、設置測量道、設置定量分析模型參數(shù)定量計算、保存譜數(shù)據(jù)及計算結果。主線程主要包括數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)學模型建立、參數(shù)設置以及結果分析。次線程主要完成數(shù)據(jù)采集功能。6.1 數(shù)據(jù)處理說

7、明數(shù)據(jù)的處理模塊主要包括譜線數(shù)據(jù)的5點平滑處理和FFT濾波、高斯濾波。6.2 平滑處理：為了減少能譜測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計漲落影響，同時又要保留最重要的特征，可對數(shù)據(jù)采用光滑技術，以利于尋找譜峰或判別譜峰的準確位置，常用的平滑(光滑)算法為二次多項式五點平滑算法。計算公式如下所示：yi=(-3yi-2+12yi-1+17yi+12yi+1-3yi+2)/35其實際是采集的放射性能譜數(shù)據(jù)滿足高斯分布的規(guī)律，該方程就是高斯方程通過左右兩邊共5點進行高斯擬合出該點的數(shù)據(jù)值，從而消除噪聲或其他不穩(wěn)定因素引起的漲落現(xiàn)象，提供數(shù)據(jù)分析的穩(wěn)定性。一般進行一、二次平滑處理，便能收到良好效果。6.3 數(shù)據(jù)處理高斯型波形

8、類似無限寬尖頂脈沖的特征，同時脈沖頂部比較平坦，彈道虧損小，所以，濾波成形一般以成形為高斯型或準高斯型波形為目標。數(shù)字高斯濾波器是基于基爾霍夫電流定律提出的，計算公式如下所示：2Xn+(2K2+K)DYn-1-K2DYn-2Yn=K2+K+1核脈沖信號經數(shù)字高斯濾波器處理后具有良好的信噪比，調節(jié)濾波成形參數(shù)可以得到合適的高斯波形，適用于核數(shù)據(jù)的實時處理。6.4 數(shù)據(jù)輸出經過處理后的數(shù)據(jù)會放在另一個緩存區(qū)域(雙緩沖技術)，緩存區(qū)域大小為2048B。6.5 數(shù)據(jù)顯示的說明數(shù)據(jù)顯示模塊主要實現(xiàn)了譜線數(shù)據(jù)的實時、縮放比例顯示，測量時間顯示，測量狀態(tài)顯示，測量參數(shù)設置顯示，測量數(shù)據(jù)保存顯示，特征峰顯示，

9、測量元素顯示，峰面積顯示，測量元素含量顯示等。6.6 數(shù)據(jù)顯示程序將測量得到的譜數(shù)據(jù)通過畫圖函數(shù)在窗口進行實時繪圖，同時提供譜線顯示縮放功能，方便用戶選擇感興趣區(qū)域進行分析；程序集成了元素數(shù)據(jù)庫，通過測量元素特征峰能量的比較，根據(jù)測量結果顯示對應元素；測量數(shù)據(jù)可以通過程序保存命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，保存格式txt、csv可選；線性本底法、柯沃爾峰面積法、沃森峰面積法等峰面積算法實現(xiàn)元素準確定量分析。6.7 數(shù)學模型的說明模型建立主要實現(xiàn)通過標準樣品放射性核素模型U、Th、K、0（本地模型）建立數(shù)學分析模型，并通過已建立的數(shù)學分析模型分析出未知樣品中的放射性核素的含量以及相應比活度。6.8 參數(shù)設置的說明參數(shù)設置主要完成測量參數(shù)如測量時間、測量道范圍、能量刻度等功能。根據(jù)測量樣品的放射性強度可以選擇合適的測量時間；針對不同能量范圍的樣品，用戶可設置測量道的范圍；儀器的標定可以通過兩種及以上標準元素實現(xiàn)線性能量刻度或非線性能量刻度。6.9 結果分析的說明結果輸出模塊是完成對用戶數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)以及分析結果以文件的形式存儲在SD卡中。6.10 數(shù)據(jù)采集的說明數(shù)