摘要：讨论了串行总线（usb）技术应用于便 携式多道γ能谱仪的可行性，并详细介绍了 系统的硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序的设计方法，zui后给出了其性能测试结果。
    关键词：usb γ能谱数据采集 wdm
    野外地面γ能谱测量技术主要研究地壳岩石土壤中产生的能量范围约为30kev～3000kev的γ射线，这里面包含着轴、钾等天然放射性核元素信息、核工程活动产生的大量人工放射性核元素信息以及γ射线与地壳相互作用产生的相关信息。而用于获取和处理γ能谱数据的多道γ能谱仪是重要的研究课题，其功能是把从γ射线探测器得到的脉冲信号转换为x-y轴的能谱形式并显示出来（x轴代表能量，y轴代表脉冲计数）。
    传统的多道γ能谱仪一般采用nim（nuclear instrument module）插件的标准模式。但其存在体积庞大、抗*力差等缺点，不适合于野外现场测量。为适应多道γ能谱仪智能化、微机化、便携化的实际需要，本设计采用笔记本电脑作为γ能谱仪的上位机。常用接口方式主要有rs-232c串口、红外线端口、epp并口、usb、1394、ethernet等。这几种接口方式的特点比较如表1所示。
表1 接口方式特点比较
方式 长度（m） 速度（b/s） 主要优点 主要缺点 
串口 15 20k 应用广泛，研发简单 速度慢，逐渐被淘汰 
并口 10 8m 速度较快，研发简单 逐渐被淘汰 
红外线 2 115k 无线传输 距离短，可靠性差，耗电大 
usb1.1 5 12m 传输稳定，速度快，使用方便，具有弹性，代表接口发展方向 协议复杂，研发难度较大 
1394 1.5 400m 传输速度快，具有弹性 特定用途（视频），研发难度大 
ethernet 500 10m 传输可靠，使用方便 ，资源共享 特定用途（lan），研发难度大 
    经过比较轮证发现，usb作为近年出现的一种代表微机接口发展方向的新型总线规范，其便捷易用、速度快、可靠性高等特点，使之非常适合作为便携式多道γ能谱仪的接口方式。目前大多数笔记本电脑一般都有两个以下的usb端口，usb规范规定每个端口提供5v、500ma的电量，而笔记本电脑在实际应用时，通常是通过自带锂电池供电的，无法提供足够的电量给外设，这时就会造成外设工作不正常，甚至使系统崩溃。考虑到本系统下位机部分功耗较大，因此供电方式使用外置电源。
    笔者在吸收借鉴γ能谱测量技术研究成果的基础上，进行了usb便携式多道γ能谱仪的设计。本设计主要完成硬件、固件、设备驱动程序以及应用程序等的设计工作。
1 硬件设计
1.1 系统总线结构
    图1所示为usb便携式多道γ能谱仪的总体结构框图。下位机硬件部分主要由γ射线探测系统（探头）、脉冲信号调理电路、数字电位器、多道脉冲幅度分析器、usb接口电路以及电源电路等构成，其中探头部分包括闪烁探测器、前置电路和高压电路等，多道脉冲幅度分析器主要包括峰值别电路、控制电路、a/d转换电路以及微控制器系统等。上位机由笔记本电脑系统构成。
软件部分由固件、设备驱动和应用程序组成。
1.2 usb接口电路
    由于usb本身的控制协议较为复杂，需要使用相应的usb接口芯片。本设计采用了philips公司的usb接口芯片pdiusbd12（简称d12），其优点是可以选择合适的微控制器及其开发系统进行外设开发。
    d12内部集成了串行输入引擎（sie）、320字节的多结构fifo存储器、收发器以及电压调整器，支持dma方式，采用双缓冲区技术，遵从usb1.1标准。芯片中串行输入引擎（sie）模块起着至关重要的作用，完成所有usb协议层功能，如同步模式识别、并/串转换、位填充/解填充、crc检验/产生、包pid产生/确认、地址识别、握手信号包响应产生等。另外，d12还集成了softconnect、goodlink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性，提高了系统的性价比。
    微控制器采用hyundai公司的gms90l32，它是一种兼容in8032微控制器的产品，其主要特点是工作电压范围宽（2.7v～5.5v）、功耗低、性价比高。d12与gms90l32的连接如图2所示。本设计使用了多路地址/数据总线复用方式。
    此外，本系统选用了美国st公司的psd913f2，它是用于8位微控制器的具有大容量flash存储器、在系统编程（isp）能够和可编程逻辑的器件。它将地址锁存器、flash、sram、pld等集成在一个芯片内，成功地实现了微控制器系统的“mcu+psd"两芯片解决方案。这种方案既可简化电路设计，节省pcb印制板空间，缩短产品开发周期，又可增加系统可靠性，降低产品功耗。
2 系统软件设计
2.1 微控制器固件程序
    所谓固件程序就是固化在程序存储器中的程序代码。本系统的固件存储在psd913f2的flash存储器中，固件开发使用的是keil c51语言，开发平台为μvision2集成开发环境。
    固件的开发是移植与开发相结合。本设计参考了philips公司提供的d12固件程序范例，对于usb协议操作的相关代码可以直接移植使用，而数据采集、传输、存储等部分则是全新的开发工作。
    固件程序结构如图3所示。硬件抽象层对d12的数据读、写以及各种指令的写入进行函数封装；d12命令接口层对d12的所有控制指令的函数进行封装；usb向量请求模块完成usb上电配置、向量请求等各类事件的响应处理；usb协议层包括对usb协议操作的封装以及对usb标准请求的响应；中断服务进程包括usb中断、adc中断以及定时器0中断（记录测量时间）等。
    主程序及adc中断服务程序流程图如图4所示。主程序首先完成各种初始化，然后进入主循环，等待中断的发生，并根据标志变量执行相应的函数。当打开控制电路时，脉冲峰值别电路自动启动a/d转换，转换结束信号会触发微控制器外部中断1，进入adc中断服务程序，读取a/d转换结果并存入缓存中，然后中断返回。
    当d12有事件需要处理时，将触发微控制器外部中断0，微控制器读取d12的中断状态寄存器，判断中断的来源并作出相应的处理。若由数据端点触发，则相应地读取或写入数据；若由控制端点0触发，则判断请求的类型。标准请求由usb协议处理模块处理，用户自定义向量请求由usb向量请求模块处理。
2.2 usb设备驱动程序的设计
    在windows环境下，usb设备驱动程序遵循wdm（win32 driver mode）方式。为了简化设计，并兼顾驱动程序的运行效率，笔者选用了driverstudio2.7工具软件中的driverworks组件进行usb设备驱动程序的开发。driverworks为wdm设备驱动程序的开发提供了完善的支持。其中包含一个非常完善的源代码生成工具driverwizard以及相应的类库和驱动程序范例，它还支持在c++下进行设备驱动程序的开发。通过driverwizard生成的代码只需要进行少量的修改可以使用，这使得驱动程序可以将精力集中在驱动功能的实现上，而不必理会太多的wdm开发细节。
    本设计在driverwizard的zui后自定义了三个ioctl接口对usb设备进行控制，如表2所示。然后在自动生成的驱动程序代码中向相应的ioctl函数添加代码，用函数buildverdorrequest构建usb协议的自定义向量请求（vendor request）。由编译修改后的源代码即可得到驱动程序文件mcad12.sys。
表2 自定义ioctl接口
自定义ioctl接口 功能说明 
mca_ioctl_start 启动多道采集数据 
mca_ioctl_read 开始读取数据 
mca_ioctl_start 停止多道数据 
2.3 usb应用程序的设计
    应用程序的设计在visual c++6.0开发环境下进行。根据实际要求，本设计需要在软件中对采集的数据进行整理、分析并显示。其功能模块主要有数据采集、谱数据显示、roi操作、系统刻度、谱分析等，其结构框图如图5所示。
    在win32系统中，usb设备被抽象为一个文件，应用程序只需要通过几个api函数就可以实现与驱动程序中usb设备的通信。api函数如表3所示。
表3 设备文件操作api函数
api函数 功能说明 
cr-eatefile 打开设备 
readfile 从设读取数据 
writefile 向设备发送数据 
closehandle 关闭设备 
deviceiocontrol i/o控制操作 
    本程序设计使用mfc多线程技术。单击开始按钮，程序就创建一个用户接口线程，并且通过ioctl启动usb设备，然后在此线程每隔一定时间（10～20ms）从usb总线上读取一次数据；而程序自身的主线程则不断地依据读取的数据刷新屏幕，显示多道能谱。当单击停止按钮或是设定采集时间到时，程序则通过ioctl停止usb设备的数据采集，终止用户接口线程，并且停止屏幕谱线的更新。
    当创建用户接口线程时，首先从cwinthread类派生一个ciothread类，然后调用afxbeginthread()函数创建ciothread类的对象进行初始化，启动线程运行。根据需要可将初始化和结束代码分别放在类的initinstance()和exitinstance()函数中。其中，initinstance()函数是从usb采集数据的线程的主要函数。从中实现对ioctl的调用、对usb设备数据的读取等功能。其流程如图6所示。
3 测试与结论
    实测cs放射源γ能谱如图7所示。根据能量为0.6641mev的谱峰，系统可以自动计算能量分辨率，实测能量分辨率小于10%。
    经过严格测试，该系统其它主要技术指标为：γ射线能量分析范围为20kev～3.0mev; γ能谱分析道数为1024道；放射源能量非线性系数小于5%；使用nai(t1)探测器时，整机功耗小于960mw；实测usbzui大数据传输速率约为1mbps；连续测量数据符合放射性统计涨落规律；设备驱动及应用程序兼容win98/2000/xp。
    上述结果表明，本系统的技术路线和软硬件设计*，方案合理，并具有一定的创新性和实用价值。对本系统编译稍加修改便可应用于其它基于微机的数据采集、自动化测控系统中。