彭曉光　付廣　蔡曉波　王倞豪

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)進(jìn)步的飛速發(fā)展，無(wú)線電通信技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在諸多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。便攜式伽瑪能譜儀主要對(duì)野外地質(zhì)進(jìn)行勘測(cè)，傳統(tǒng)的伽瑪能譜儀存在諸多缺陷，直接影響了實(shí)際的測(cè)量效果?，F(xiàn)簡(jiǎn)要分析基于無(wú)線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀的研制方法，力求為今后的相關(guān)工作提供可靠的參照。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù)；便攜式伽瑪能譜儀；藍(lán)牙技術(shù)；掌上電腦

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）13-0043-02

伽瑪能譜儀屬于一類(lèi)重點(diǎn)探測(cè)天然與人工不穩(wěn)定核素的設(shè)備，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)、原子核物理學(xué)以及粒子物理學(xué)等方面得到了大量的應(yīng)用，測(cè)量效果顯著。由于其主要在野外環(huán)境下工作，對(duì)使用便捷性和節(jié)能性等方面設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)格。因此，可以將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到伽瑪能譜儀中，獲得了較好的效果。以下為具體的研制方法。

1 基于無(wú)線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀研制理念

1.1 數(shù)字化伽瑪能譜儀探頭

該研究采用先進(jìn)的數(shù)字伽瑪能譜儀設(shè)計(jì)理念，把高電壓電源、前置電路系統(tǒng)、主放大器、脈沖信號(hào)峰值保持電爐、多道脈沖幅度分析器、多道數(shù)據(jù)緩存器和全球定位系統(tǒng)模塊加裝到伽瑪能譜儀探頭之中。最后得到數(shù)字化、一體化的伽瑪能譜儀探頭。這種伽瑪能譜儀探頭傳輸?shù)男盘?hào)不是較弱的脈沖信號(hào)，卻是一類(lèi)通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)處理之后的數(shù)字化信號(hào)。此類(lèi)數(shù)字信號(hào)通過(guò)單片機(jī)串口傳輸?shù)娇梢灾苯影l(fā)布指令的計(jì)算機(jī)中。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式提升了伽瑪能譜儀抵御干擾的能力，并便于能譜儀探頭與主機(jī)的信號(hào)無(wú)線傳輸。與此同時(shí)，在伽瑪能譜儀探頭中安裝了全球定位系統(tǒng)模塊，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位，并且采集數(shù)據(jù)，借助單片機(jī)控制系統(tǒng)傳輸?shù)娇梢韵逻_(dá)操作指令的計(jì)算機(jī)中。利用計(jì)算機(jī)的譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測(cè)量點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)和測(cè)量信息儲(chǔ)存在相同的文件內(nèi)，滿足了測(cè)量點(diǎn)定位要求。

1.2 信號(hào)無(wú)線傳輸

最近些年，無(wú)線通信協(xié)議與相關(guān)的無(wú)線通信產(chǎn)品快速發(fā)展，且獲得了廣泛的應(yīng)用。短距無(wú)線通信上，藍(lán)牙技術(shù)憑借其經(jīng)濟(jì)性、高速性、穿透性、全面性以及信號(hào)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)獲得了業(yè)內(nèi)的肯定和大量的應(yīng)用。藍(lán)牙技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品在個(gè)人計(jì)算機(jī)、手提電腦、掌上電腦，、手機(jī)、汽車(chē)電子產(chǎn)品、家用電器產(chǎn)品以及工業(yè)機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域中獲得了大量的應(yīng)用。本文將重慶金甌百米藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊安裝到伽瑪能譜儀中[1]，滿足了能譜儀探頭與主機(jī)彼此的無(wú)線通信功能。其屬于一類(lèi)線纜替代設(shè)計(jì)，此類(lèi)藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊能夠和單片機(jī)控制器直接相連，應(yīng)用即插即用模式，使儀器彼此之間的無(wú)線信號(hào)傳輸變得更加透明。在藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊和系統(tǒng)連接無(wú)誤的情況下，且在通電啟動(dòng)后，主從設(shè)備就會(huì)自主相連，同時(shí)對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行辨別和記憶。此后，用戶設(shè)備能夠如同應(yīng)用一條串口線的方式應(yīng)用該模塊。能譜探頭之中的單片機(jī)控制系統(tǒng)借助串口和內(nèi)嵌模塊實(shí)現(xiàn)連接，單片機(jī)控制系統(tǒng)串口傳輸與收到的信號(hào)借助藍(lán)牙模塊功能轉(zhuǎn)化成藍(lán)牙通信協(xié)議和對(duì)應(yīng)設(shè)備實(shí)行信息交換。所以，要求主機(jī)設(shè)備必須要擁有藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能。

當(dāng)前，具備圖像顯示與信息處理能力的藍(lán)牙系統(tǒng)設(shè)備為：手提電腦和掌上電腦。其中，手提電腦的功耗很高，通常情況下，持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為5小時(shí)左右，很難達(dá)到野外測(cè)量的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)需求。而掌上電腦在充滿電的情況下，可以進(jìn)行野外持續(xù)進(jìn)行測(cè)量工作幾天之久。且掌上電腦的體積更小，也更加便攜。野外測(cè)量移動(dòng)過(guò)程中，能夠把掌上電腦裝進(jìn)口袋，非常便捷。此外，掌上電腦應(yīng)用Windows Mobile（WM）系統(tǒng)，這種操作系統(tǒng)是微軟針對(duì)嵌入條件進(jìn)行研發(fā)的，其具備搶先式、多任務(wù)和多線程的系統(tǒng)，能夠以這種系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，使用Windows操作系統(tǒng)中的應(yīng)用程序編程接口函數(shù)功能，研發(fā)出針對(duì)伽瑪能譜儀的測(cè)量軟件系統(tǒng)。所以，應(yīng)用具備藍(lán)牙功能的掌上電腦為能譜儀的主機(jī)，應(yīng)用藍(lán)牙傳輸協(xié)議和能譜探頭之間進(jìn)行信號(hào)交換。這種設(shè)計(jì)理念下的便攜式伽瑪能譜儀滿足了主機(jī)與能譜儀探頭之間的分離要求。與此同時(shí)，主機(jī)能夠加裝第三方研發(fā)的信號(hào)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在進(jìn)行野外實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量和信息處理的過(guò)程中，變得更加便捷，且數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果更加精確可靠[2]。

1.3 便攜式伽瑪能譜儀軟件系統(tǒng)研發(fā)

應(yīng)用軟件研發(fā)能夠分成譜數(shù)據(jù)采集、設(shè)備譜線的處理、測(cè)量數(shù)據(jù)分析以及文件操作幾方面。因掌上電腦能夠提供藍(lán)牙虛擬串口功能（這種藍(lán)牙虛擬串口是尋優(yōu)模型系統(tǒng)），如何和別的藍(lán)牙模塊（此處僅代表伽瑪能譜儀的探頭）相連，則能夠應(yīng)用串口模式實(shí)行藍(lán)牙通信，并得到能譜信號(hào)數(shù)據(jù)。通過(guò)WM系統(tǒng)中的圖形設(shè)備端口，能夠?qū)嵭凶V線處理，在Windows操作系統(tǒng)下，進(jìn)行譜數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和讀取也變得非常方便。在測(cè)量數(shù)據(jù)的分析方面，可應(yīng)用原有的方式進(jìn)行譜線處理，與標(biāo)定方程相結(jié)合，計(jì)算出野外測(cè)點(diǎn)中的放射源理論值。

2 便攜式伽瑪能譜儀各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

2.1 便攜式伽瑪能譜儀的功耗檢測(cè)

原有的便攜式伽瑪能譜儀主要應(yīng)用電池進(jìn)行電力供應(yīng)，能譜儀的功耗通常為主機(jī)處理系統(tǒng)與能譜儀探頭的運(yùn)行功耗兩方面。所以，便攜式伽瑪能譜儀的功耗很高，通常持續(xù)運(yùn)行時(shí)間≤8h，要頻繁地?fù)Q電池或者進(jìn)行充電。而本文研制的便攜式伽瑪能譜儀主機(jī)應(yīng)用掌上電腦，主要應(yīng)用生產(chǎn)廠家配備的鋰電池進(jìn)行電力供應(yīng)，能夠不間斷運(yùn)行3天到5天。通過(guò)實(shí)際的檢測(cè)，數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭的運(yùn)行電流大約為180毫安，應(yīng)用可充電的12Ah兩節(jié)鋰電池進(jìn)行電力供應(yīng)。在滿電情況下不間斷運(yùn)行時(shí)間>60h，很大程度提升了野外不間斷測(cè)量的時(shí)間，進(jìn)而提升了測(cè)量效率。

2.2 便攜式伽瑪能譜儀的通信距離和抗干擾能力檢測(cè)

藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊的通信距離通常小于10m，能夠有效在野外測(cè)量空曠地區(qū)中應(yīng)用。該研究中，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)便攜式伽瑪能譜儀進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，沒(méi)有遮擋物的前提下，藍(lán)牙模塊的通訊距離為10m。把數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭放在房中，相隔一面墻的前提下，

通訊距離為6-7m之間，長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸無(wú)異常。藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊主要應(yīng)用分散網(wǎng)絡(luò)、短包以及跳頻技術(shù)，可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊連接。其主要運(yùn)行在通用的2.4GHz ISM國(guó)際頻段之中，和正常工作生活應(yīng)用的各類(lèi)設(shè)備之間無(wú)干擾影響。因此，這種便攜式伽瑪能譜儀的抗干擾性很高[3]。

2.3 便攜式伽瑪能譜儀的其他技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)[4]

① 便攜式伽瑪能譜儀的能量分辨率：8%；② 便攜式伽瑪能譜儀的檢出限：鈾為1 ppm， 釷為1.8ppm，鉀為0.17%；③ 便攜式伽瑪能譜儀能量分析范疇：50keV -3MeV之間；④ 便攜式伽瑪能譜儀譜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量隨著掌上電腦擴(kuò)容的提升而提升；⑤ 便攜式伽瑪能譜儀的穩(wěn)定性：有大約8h的穩(wěn)定性，相對(duì)偏差不高于6%。

3 便攜式伽瑪能譜儀未來(lái)的升級(jí)和改進(jìn)方案

便攜式伽瑪能譜儀的主機(jī)與探頭之間實(shí)現(xiàn)了分離、實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸和接收、

實(shí)現(xiàn)了主機(jī)的微型化、實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)的完善，使便攜式伽瑪能譜的野外測(cè)量變得更加便捷。這種設(shè)計(jì)理念下的便攜式伽瑪能譜儀也能夠在包含電磁干擾、高輻射和高放射性的檢測(cè)環(huán)境中應(yīng)用，降低或者避免了射線源對(duì)測(cè)量人員身體產(chǎn)生的放射損害。而由于電子通信科技的飛速進(jìn)步，能譜儀依然要持續(xù)進(jìn)行更新與完善，通常反映在如下幾點(diǎn)：第一，故障遠(yuǎn)程判斷功能，需要在便攜式伽瑪能譜儀出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，在遠(yuǎn)程控制中心實(shí)行遠(yuǎn)程故障判斷與系統(tǒng)維護(hù)；第二，便攜式伽瑪能譜儀測(cè)量聯(lián)網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送給數(shù)據(jù)處理部門(mén)，使其準(zhǔn)確把握實(shí)際測(cè)量場(chǎng)地鈾、釷和鉀的分布特性；第三，便攜式伽瑪能譜儀采集數(shù)據(jù)的深度處理功能，當(dāng)前時(shí)期，主機(jī)中的譜分析處理功能只可以對(duì)實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)行簡(jiǎn)單的分析處理，通過(guò)WM系統(tǒng)系統(tǒng)，研發(fā)出能夠針對(duì)實(shí)際測(cè)量地區(qū)譜數(shù)據(jù)實(shí)行實(shí)時(shí)分析處理的軟件，能夠?qū)σ巴鉁y(cè)量工作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)[5]。

4 總結(jié)

綜上所述，將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到便攜式伽瑪能譜儀中，可以在保證各項(xiàng)基本測(cè)量功能的前提下，提升伽瑪能譜儀使用的便捷性，降低能耗，并且提升了數(shù)據(jù)處理能力。進(jìn)而在野外勘測(cè)的過(guò)程中，切實(shí)提升了工作效率和勘測(cè)數(shù)據(jù)的精確性。因此，基于無(wú)線通信技術(shù)的便攜式伽瑪能譜儀研制具備非常重要的意義。

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