使用单片机改造老式测量仪表

概述

       在核污染的环境评测中，最常用的仪表是X、γ 辐射空气吸收剂量率仪。在这类仪表中，使用的测量原理主要有以下两种：一种方法是使用脉冲计数的方法，在这类方法中使用光电倍增管或使用计数管对核辐射脉冲计数，通过计数量的多少反映核辐射剂量的大小。另一种方法是将测量的辐射脉冲进行积分、放大后显示输出。在后一种方法中，由于综合考虑了反映核辐射能量脉冲的数量和幅值，所以较好地反映了核辐射的剂量和剂量率。这类仪表的系统结构如（图一）所示。

图一
       存在的问题

       在厂家多年生产这种类型仪表的生产实践中，发现使用该方法生产的仪表，存在以下的问题：

       [1] 在积分放大电路中由于积分常数较大，而且电容的品质对仪表参数影响甚大，因此为了得到较稳定的积分电路性能，电容的容量不能用的太大，所以在输入积分电路中只能用提高电阻的阻值的方法来增加积分常数。这时，电阻的阻值将高达1011欧姆。如此高的阻值在电路中的应用大大地提高了仪表生产的工艺难度和使用时受环境影响的程度。

       [2] 作为影响仪表性能的关键探测部件-探头中，使用的主要传感部件为光电倍增管。它的性能参数大大地影响整个仪器的性能。在影响探头的诸多参数中，起关键作用的参数为光电倍增管的暗流和兰光灵敏度。若光电倍增管的暗流过大，将会使仪器的本底降不下来，从而使成为不合格产品。若光电倍增管的兰光灵敏度太低，势必要提高电路的放大倍数。这时若设计的放大器倍数过大，将会产生两种后果：a）过大的放大倍数，将影响放大器的稳定性。b)使用电路设计上的限制，有时电路的放大倍数难以达到设计要求。

       [3] 在仪器的构成的诸多元素中，光电倍增管、仪器中的放大电路等都会在温度变化的影响下产生参数的变化，使仪表产生一定的温度漂移，从而使仪表在温度变化的影响下，产生精度上的变化。这一点虽然在电路设计中加入了复杂的温度补偿电路，但是，由于影响因素的多样性和非线性，使一般的电路补偿方式难以达到理想的效果。

       解决方案

       根据以上存在的问题以及对仪表性能提高的要求，在对原有仪表进行较仔细地分析的基础上，根据目前仪表设计、改进的潮流方向以及单片机系统在仪表中的广泛应用。我们对仪表在设计理念和方法上进行了大胆的创新。使用德州仪器公司的MPS430F133单片机对仪表电路结构进行了重新设计。引入了模拟 + 数字放大技术；数字本底调整技术和温度数字校正技术。应用上述原理设计出的仪器经厂家生产和用户试用，基本上达到了生产工艺简单，使用性能稳定的设计目的。整个系统的结构描述如下：

    一. 系统结构：

       在考虑应用单片机设计仪表系统时，必须解决好以下几个方面的问题：（1）传感器信号的输入和处理电路。这部分电路需要满足信号的输入、调理和放大的功能。同时在电路的设计中还要兼顾放大倍数与放大器的稳定性这两方面的问题。（2）信号的变换，为了能将信号输入单片机进行信号的处理和输出，必须将输入放大器输出的模拟信号变换为数字信号。（3）数字放大和本底调整控制电路，在这一部分的电路设计中，考虑到原有仪表的结构和用户使用中的一般习惯，在这一部分的调整中仍然采用了使用电位器的模拟调整技术，只不过是将调整的模拟信号经A/D转换后输入到单片机中进行数字校正处理。（4）显示输出电路，根据用户要求，仪表的输出采用指针式表头输出。由于表头的输入信号必须为模拟信号，所以这里采用了数字PWM输出技术，将数字信号转变为模拟信号输出。整个仪表系统的结构图如（图二）所示。由上述电路系统图可以看出，在整个电路在对信号的处理过程中，需要完成A/D转换，数字处理和模拟输出这几个环节。为了使整个系统的稳定性达到较高的水平，希望上述功能的集成化程序越高越好。因此在MCU的选型上，采用美国的TI公司生产的MSP430F133单片机。

图二

       二. MSP430F133单片机选型依据

       MSP430F133系列单片机是德州仪器公司生产的一组具有超低功耗的、具有16位RISC结构，16位CPU寄存器和常数寄存器的微控制器。而 MSP430F133是这个系列中的一款带有8KB Flash Memory、256B RAM；有12位的带有内部参考电压、采样保持和自动扫描功能的A/D转换器，以及硬件中的PWM输出端口。它的超低功耗设计（仅微安级工作电流）正好满足了便携式仪器使用电池供电的特点。它所具有的片内A/D转换器，具有精度较高和速度快的特点，基本上满足了实时采样的要求。它所具有的16位PWM输出端口使输出表头的指示更加平滑稳定。另外它内部所带有的硬件乘法器使单片机的运算性能大大的加强。满足了数字仪器复杂、快速运算的要求。另外使用在单片机内部嵌入的温度传感器，我们可以根据它测出的环境温度和系统的温度特性，对整个仪器系统进行精确的温度数字校正，使系统在环境温度产生较大变化时仍能可靠、稳定地工作。

       三. 硬件实现方案

       根据MSP430F133单片机所具有的系统资源和仪表系统的要求，作为传感器的测量信号经过适当放大后即可送入片内的A/D转换器。另外，作为本底放大倍数的电位器调整信号经适当调整后也送入了片内的A/D。一般来说，片内的A/D为12位。基本上能较准确的反映了外部信号的变化。但是由于本仪表测量数值的变化范围为0~10000个单位，这时，仅使用片内的12位A/D所反映的信号变化范围最大为0~4096个单位。这样，在低量程上反映出来的测量信号就显得分辨率不够。如果兼顾了分辨率，就会使仪器的测量范围达不到要求。因此，在片内A/D数位不能提高的情况下，在硬件设计上采用了分段放大转换的设计方法，即把输入的信号放大不同的倍数根据不同的量程分别输入单片机内A/D不同的端口。在测量小信号时，使用大倍数的放大器输出信号输入A/D端口，以达到小信号较高的分辨率。而在测量大信号时，小信号的输入端口输入的数据已达到满幅度，这时仪表将使用大信号输入端口，以达到大信号的动态范围。较好的解决了片内A/D位数不足的矛盾。在输出设计上，直接采用了数字信号的PWM输出，即通过单片机的PWM端口输出信号，经过适当地滤波后，送指针仪表显示，完成了D/A转换输出的功能。

四. 软件结构及功能 

       作为使用微处理器的智能系统，硬件系统的性能必须有与之相配合的软件才能使其达到设计的要求。在本文所述的测量仪表中，同样需要设计与硬件相匹配的软件系统才能使仪表完成所设计的功能。根据仪表性能要求，在软件设计时应着重考虑以下几个方面的问题：

       A 由于该仪表传感器测量的核辐射信号是由闪烁体转化而来的光脉冲信号，根据核物理理论得知，核辐射量的大小与这些脉冲信号的积分值相关。因此，在探头将测得的脉冲信号经放大、A/D转换后，所得的数字信号同样也为一组与核辐射量成正比例的脉冲信号。为了准确地反映信号的大小，系统软件应将这些信号进行数字积分。同时，为了在指针式表头上稳定的显示测量值，还要对积分所得的值进行恰当的滤波，以避免由于指针示值不稳定而影响读数。

       B 作为测量仪表，为了能准确地读数，在仪表生产→老化等工艺完成后还必须进行标定。对本仪表的标定，就是调整仪表的零点和放大倍数。使它的显示值与测

量值相吻合。在本仪表的设计中，虽然也是采用了电位器标定调整的方法，但是这两个电位器与仪器的输入放大电路无关，这样就可以最大可能的避免由于电位器引线过长而对仪表放大器的影响，提高了电路的可靠性和稳定性。为了达到调整的目的，我们是将这两个电位器接在稳压基准电源上，通过将电位器中心抽头调整的电压值转变位数字信号的方法，再使用如下公式来对输入信号进行标定。

       Sout = Amp * Sin + Zero式中：Sout - 经标定校正后的显示信号值；Sin - A/D转换后的测量输入信号值；Amp - 放大倍数调整电位器中心抽头电压的A/D转换值；Zero - 零点调整电位器中心抽头电压的A/D转换值；这样，在标定时只需调整这两个电位器即可达到数字标定的目的。

       C 作为提高仪表系统稳定性的一项重要措施，就是对系统进行温度补偿。作为一个复杂的系统，由于受温度影响的因素较多，所以难以总结出一个统一的数学模型来描述仪器的读数 - 温度的特性。因此，在这里使用试验的方法找出系统的温度特性曲线。对于这样一个复杂的数学模型，可以使用输入校正表格 - 分段插值的方法进行校正。用过输入合理设计的表格和运用正确插值方法，在MPS430F133单片机的强大运算功能的支持下，使系统的温度补偿做的更加准确合理。

       D 在仪器的显示部分由于使用了指针式表头，在测量值出现突变或者测量值超过测量范围时，将会出现表针剧烈摆动甚至出现打针的现象。虽然我们在设计输出时，对每一档输出的最大值都给予了限定，但如不采取措施仍会在测量值突变时出现打针现象和表针剧烈摆动现象。因此在输出软件设计上，当输出值变化时，表针的运动中加入了适当的软阻尼。实现阻尼的算法框图见（图三）。这种算法具有较好的平滑性能，使用这样的算法，即使在指针的指示值变化较大时也能够既快又平稳地到达新的测量值。显示出了良好的阻尼性能。

       结束语

       本文所述的通过采用16位单片机，采用模拟 - 数字系统相结合的方法设计并实现的测量仪表，可以较大幅度的改善和提高仪表的性能和稳定性。简化生产工艺，降低生产成本。目前所完成的设计，仅是在实现原有功能的基础上做了一点工作，对仪器的智能化还有待于进一步挖掘。我们相信，经过进一步的工作，在仪表的自控、自标定、自动测量等方面都会有更大的改进。那时，不但仪表性能又进一步的提高，而且在使用上也会更加简单、方便。

参考文献：
1、滨松光子株式会社，光电倍增管 - 基础及其应用，1995.8
2、戴光曦，实验原子核物理学 北京原子能出版社，1995.6
3、缪家鼎等，光电技术 杭州浙江大学出版社， 1995.3
4、TI Company MSP430X13X, MSP430X140X, MIXED SINGNAL MICROCONTROLLER JULY-2000