基于嵌入式系统的能谱型核测井仪器.docx
基于嵌入式系统的能谱型核测井仪器huanglj导语：介绍了能谱型核测井仪的设计方案，其目的是研制适用于铀矿勘查的便携式测井仪，知足测井消费的需要。摘要：介绍了能谱型核测井仪的设计方案，其目的是研制适用于铀矿勘查的便携式测井仪，知足测井消费的需要。该仪器采用碲锌镉CdZnTe半导体核辐射探测器，高端的32位嵌入式ARM处理器S3C2410A为仪器系统控制核心，并在此硬件平台上移植了嵌入式Linux操作系统，编写了基于MiniGUI的测井仪监控终端软件。仪器具有实时性、体积小、功耗低、灵敏度高、本钱低、便于携带等特点。关键词：嵌入式系统;Linux;MiniGUI;核测井仪;碲锌镉半导体探测器balign=centerEnergySpectrumNuclearloggingInstrumentbasedonEmbeddedSystemSHENHong-zhong,TANGBinSchoolofInformationEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou344000,China/align/bAbstract:Thispaperintroducesadesignprojectofenergyspectrumnuclearlogginginstrument，thepurposeofsuchinstrumentwastoprovideaportabledevicesuitabletotheprospectingandexplorationofuraniumdeposit.ThisinstrumentusesCdZnTedetectorasnuclearradiationdetectorandS3C2410A,a32-bithighperformanceembeddedARMprocessor,asmicroprocessorunit.Basedonthishardwareplatform,embeddedLinuxsystemisported.ThemonitoringsystemofnuclearlogginginstrumentisdevelopedbyusingMiniGUI.Theinstrumentscarrythecharacteristicofsmallsize,lowpower,highsensitivity,lowcost,andoutstandingportability.KeyWords:embeddedsystem;Linux;MiniGUI;nuclearlogginginstrument;CdZnTedetector民用非动力核技术是国家鼓励开展的高新技术，其中核测井技术是随着现代科技的开展和它在石油、煤炭、铀矿等地质矿产勘探领域的应用而迅速开展起来的尖端测井技术之一。目前，适用于铀矿核测井的国产仪器较少，主要有成都理工大学研制的HFC-1型能谱测井仪器、核工业北京地质研究院研制的HD-4002型综合测井仪等。这些仪器多数采用笔记本电脑为测井仪器系统的控制核心，为了可以更好适应野外测量工作的复杂环境，便于野外携带使用，本文将采用基于32位处理器ARM的嵌入式系统为测井仪系统的控制核心，并在此根底上开发相应的软硬件。2能谱型核测井仪的理论根底众所周知，地壳的岩石和土壤中都有一定数量的放射性元素存在着，他们可以自发地放出放射性射线。在自然界中，这些放射性射线主要来自铀-238系列、钍-232系列和钾-40系列等天然放射性元素。这些放射性元素有着各不一样的射线特征谱峰，如铀、钍、钾的特征谱峰分别为1.76MeV、2.62MeV、1.47MeV，因此可以根据测量所得的能谱数据，断定测量点位置的放射性元素成分，即进展放射性元素的定性分析。同时，放射性元素的含量与它的射线强度成正比，因此只要计算出放射性元素的射线强度，就可以得出相应的放射性元素含量，放射性元素定量解释方法主要有平均含量法、传统剥谱法与逐点剥谱反褶积解释法等。能谱型核测井方法是通过研究天然产生或者人工激发的放射性射线谱沿井轴的分布特点而确定该地层中的某些元素成分和含量的一种无损检测方法。能谱型核测井仪就是使用能谱型核测井方法在野外现场测量伽玛射线能量谱，分析铀、钍、钾等放射性元素的性质和含量的一种仪器。3核测井仪的总体方案设计能谱型核测井仪必须知足体积小、性能稳定、功能强、灵敏度高、便于野外携带使用等需求。针对这些需求，对能谱型核测井仪提出以下的设计方案：3.1数据收集硬件系统设计方案数据收集硬件系统主要由井下探管、自动绞车、能谱收集电路组成。井下探管主要包括核辐射探测器、前置放大器、探管外壳、电源等。目前国内外的核辐射探测器主要有闪烁体探测器如NaIT1无机晶体闪烁器、半导体探测器如高纯锗HPGe半导体探测器、碲锌镉CdZnTe半导体探测器等。室温碲锌镉CZT半导体核辐射探测器是继闪烁体探测器之后开展起来的一类新型先进的探测器,室温半导体核辐射探测器被认为是一种理想的探测器,它既具有低温半导体探测器的能量分辨率好,又具有闪烁晶体探测器的探测效率高,同时还具有体积小、重量轻、携带方便等优点，因此选择碲锌镉CZT半导体核辐射探测器为能谱型核测井仪的探测器。探管外壳用不锈钢材料制作，同时做好防水密封性能，能知足在测井的高温高压条件下正常工作。自动绞车负责控制井下探管的运动，实现探管在测井中进展逐点测量方式或者连续测量方式的挪动功能，并向嵌入式系统控制核心传送井下探管的深度值。能谱收集电路实现对碲锌镉CZT探测器输出的电脉冲信号线性放大、调整与去除信号噪声，并将测量脉冲信号的范围平均分成多个脉冲幅度间隔，然后统计处理后的脉冲信号在各个脉冲幅度间隔的个数，以便形成各个脉冲幅度的计数分布曲线。能谱收集电路主要由线性放大器、过峰检测电路、峰值保持电路、触发ARM920T处理器S3C2410A内置A/D模数转换等组成。其电路构造如图1所示。3.2嵌入式系统在能谱型核测井仪中的应用3.2.1嵌入式硬件系统/b能谱型核测井仪系统的控制核心ARM920T处理器S3C2410A是一款高端的32位低功耗RISC微处理器，具有最高工作频率203MHZ、独立的16KB指令Cache与16KB数据Cache。存储系统采用2MB的NORFlash、128MB的NANDFLASH与64MB的SDRAM相结合，作为程序运行和数据存储空间。并设计了各种相应的外围接口，主要包括LCD接口、SPI键盘接口、USB接口、以太网接口、RS232接口与多道分析器MCA接口等。采用5.4英寸的LCD真彩显示屏，因S3C2410A内部已集成了LCD控制器，所以可以很方便地控制各种类型的LCD显示屏。3.2.2嵌入式软件系统在核测井仪硬件平台上编写Bootloader引导程序，用于初始化目的板硬件，给操作系统提供板上硬件资源信息，并进一步装载、引导嵌入式Linux操作系统。因U-Boot具有广泛的通用性，选择U-Boot在该硬件平台上进展移植，Flash驱动程序与SDRAM驱动程序的移植是U-Boot成功移植的关键。嵌入式Linux支持多种体系构造，有强大的网络功能支持，支持多文件系统，有丰富的外设驱动，此外Linux还具备一整套工具链，使用户容易自行建立嵌入式系统的开发环境、穿插运行环境。在相应的硬件平台上裁剪与移植Linux操作系统内核，并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系统。根文件系统采用YAFFS文件系统，具有速度快、占用内存少等特点，自带NAND芯片驱动，YAFFS是专门为NAND闪存设计的日志构造嵌入式文件系统，适用于大容量的存储设备。3.2.3基于MiniGUI的监控终端设计MiniGUI是一个面向实时嵌入式系统的轻量级图形用户界面支持系统，广泛应用于手持信息终端、机顶盒、工业控制系统及工业仪表、便携式多媒体播放机、查询终端等产品和领域。能谱型核测井仪的监控终端基于MiniGUI图形界面开发库编写，实现了能谱数据的收集、能谱曲线的显示、数据文件的管理、能谱数据的分析等功能。能谱型核测井仪的监控终端根本构造如图2所示。3完毕语本文瞄准国内外核测井仪的开展趋势，结合便携式仪器现场工作的特点和嵌入式系统的开展特点，以高端ARM920T处理器S3C2410A为核心，并在其上移植了嵌入式Linux操作系统、YAFFS文件系统、MiniGUI图形界面开发库、编写了Bootloader系统引导代码、编写了设备驱动程序、编写基于Linux操作系统和MiniGUI的测井仪监控终端软件。参考文献：1汤彬，刘玲，周书发，周蓉生.能谱型核测井的逐点剥谱反褶积解释方法J.核技术,2006,2912:899-912.2方方.野外地面伽玛射线全谱测量研究D.成都：成都理工大学博士论文.3杨涛,魏义祥.基于嵌入式系统的多道分析器监控终端设计J.核电子学与探测技术,274:745-747,758.4朱世富,赵北君,王瑞林,高德友,韦永林.室温半导体核辐射探测器新材料及其器件研究J.人工晶体学报,2004,331:6-12.0
