基于S3C2440的能量色散X射线荧光光谱仪

    X射线荧光分析是一种快速、准确而又经济的多元素分析方法[1]。目前，X射线荧光分析技术已被广泛应用于地质、冶金、化工、材料、石油、医疗等领域，尤其是能量色散X射线荧光EDXRF（Energy Dispersive X-Ray Fluorescence)光谱仪，由于具有体积小、价格低廉、自动化程度高等优点，已成为普遍多元素同时分析的有力手段。

    EDXRF光谱仪利用X射线荧光对于不同元素具有不同能量的特点，依靠探测器实现对测试样品中元素的定性、定量分析。随着电子学技术、计算机科学技术以及半导体材料的发展，特别是嵌入式技术的应用，为X射线荧光光谱仪智能化、小型化及高性能提供了必要的硬件基础。本文提出了基于S3C2440嵌入式处理器的便携式EDXRF光谱仪的设计方案，用于分析检测合金、矿石中的多种元素。

1 方案设计

    便携式EDXRF光谱仪采用X射线管作为激发源，Si-PIN探测器作为X射线探测器。X射线打到测试样品后，X射线荧光光量子通过探测器转变为一定形状和数量的电脉冲。该电脉冲经前置放大处理后，变为可测电脉冲信号。本方案采用S3C2440高性能的嵌入式处理器，外扩高速A/D转换芯片AD7676，由S3C2440硬件定时和AD7676组成数字脉冲分析器，将可测电脉冲信号变成数字信号，实现EDXRF光谱的采集。

    S3C2440以ARM920T为内核，支持Windows CE操作系统。本系统基于Windows CE系统上的AD7676驱动程序，在应用程序层控制AD7676的工作，实现了EDXRF光谱的采集、存储、分析。其整体方案如图1所示。

2 硬件设计

2.1 AD7676

    AD7676是美国模拟器件公司生产的16位高速（500 kS/s）SAR ADC[2]，内置16位高速采样ADC、差分输入结构、内部转换时钟、纠错电路以及串行和并行系统接口。

    AD7676的采样数据读取有两种方式：转换完成后读取和采样中读取。图2所示为采样中读取方式时序，当AD7676转换结束后，忙信号变为低电平，保持片选信号为低，使得转换及读信号由高变低，此时数据总线上出现上次转换后的数据。采样中读取方式时，在转换完成后，可同时读取数据及启动下一次采样，消耗时间少，适用于本系统。

2.2 数字脉冲分析器

    数字脉冲分析器由信号处理电路(信号调理、放大)、高速AD转换器（AD7676）及S3C2440处理器组成，图3所示为系统电路框图。

    X射线荧光光量子通过SI-PIN探测器转变为电脉冲，经调理、前置放大处理后变为可测电脉冲信号传给AD7676采样处理。为了保证采样的正确性，采用基准电压芯片为AD7676提供基准电压，同时为了防止电源串入的干扰，采用专用的DC－DC隔离电源使得模拟部分电源与数字处理部分电源隔离。S3C2440处理器与AD7676之间的数据总线采用数据缓冲器SN74LVC16245驱动。

3 基于Windows CE的AD7676驱动程序开发

    由图3可知，AD7676被直接映射到S3C2440系统内存，所以其驱动程序采用单片式流接口设备驱动模型。同时当AD7676转换结束后，采用中断方式通知S3C2440读取转换结果，并启动下一次转换。AD7676驱动程序由内核部分和流接口函数部分组成。内核部分完成中断的处理，包括中断的使能、禁止、唤醒中断服务线程等工作；流接口函数完成AD7676的打开、关闭、初始化以及数据的读、写操作。

3.1 内核部分

    系统硬件电路采用中断方式对AD7676进行数据的读取，以提高S3C2440的使用效率。Windows CE对中断的响应过程如图4所示[3]。

    参照时序图，修改Windows CE中与中断相关的内核文件，完成物理中断到逻辑中断的映射。主要工作如下：(1)修改oalintr.h文件，完成中断向量的注册；(2)修改cfw.c文件，完成中断允许、中断禁止和中断完成操作。经过修改Windows CE内核文件，完成物理中断Eint0到逻辑中断号SYSINTR_ADC的映射，就可以利用Windows CE提供的API函数完成物理中断Eint0的操作。

3.2 流接口函数

    Windows CE流接口驱动程序是动态链接库，由设备管理器统一加载、管理和卸载。在Windows CE中，流接口函数一共有10个，所开发的驱动程序采用了其中的7个接口函数：AD7676_Deinit、AD7676_Init、AD7676_Open、AD7676_IoControl、AD7676 _Read、AD7676 _Write、AD7676_Close。

    流接口函数需要完成两个主要方面的工作：AD7676数据结构的建立、流接口函数代码的实现。其中AD7676初始化、中断服务程序最为重要。

    (1)PADC_CONTEXT AD7676_Init(LPCTSTR pContext，LPCVOID lpvBusContext)
    AD7676_Init接口函数在驱动程序加载时，由设备管理器调用，主要完成硬件初始化，如映射设备物理内存、配置相关寄存器、创建中断事件、中断服务线程等工作。

    AD7676_Init接口函数按照图5所示调用顺序完成驱动的初始化工作。调用成功后，将返回AD7676数据结构的首地址[4]。

    (2)中断服务线程AD7676_ISR

    AD7676_ISR中断服务线程是中断处理的核心部分，负责将缓冲区中的数据读至系统内存[3]。

    DWORD AD7676_ISR(PVOID pContext){
        PHW_INDEP_INFO pHead=(PHW_INDEP_INFO)
pContext；
        ULONG WaitReturn；
        While(!Done()){
            WaitReturn=WaitForSingleObject((PHW_INDEP_
INFO)pContext，INFINITE)；
            if(WaitReturn==WAIT_OBJECT_0){
                ……//读取AD7676转换后的数据
                InterruptDone(pHead->dwIntID)；
            }
        }
        return 0；
    }

4 定性分析应用实例

    利用此方案设计的便携式EDXRF光谱仪对某被测样品进行了定性分析。图6所示为该被测样品经过光滑、扣背景后的谱线，图中标出了Ni的Kα线与Kβ线、Au的Lα线与Lβ线。

    表1为对图6谱线经寻峰、能量刻度后，计算获得的被测样品中元素已知能量值与测量值的对比。

    从表1元素已知能量值与测量值之间的相对误差可以看出，使用此方案获得的谱线经过光滑、扣背景、寻峰、能量刻度后，完全能达到定性分析的要求。