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摘要：提出一种基于STM32和CAN总线的γ放射性辐射监测系统设计方法。以STM32F103作为核心控制器，利用能谱转化函数G（E），将测得的能谱直接换算成剂量，并通过CAN总线组网技术实现多个监测节点与监测主机的数据通信，解决辐射信号的采集与调理、剂量率转化、CAN组网等问题。测试结果表明：该监测系统具有通信可靠、抗干扰能力强、准确度高等优点，可以实现γ核辐射引起污染伤害的快速评估。
关键词：辐射监测；STM32；C（E）函数；CAN总线
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）05-0067-03
0 引言
在核辐射监测和预警领域，需对γ辐射剂量率进行实时监测，对辐射异常及时告警。随着核设施的不断建设与核应用的日益广泛，传统的点对点核辐射监测已不能满足高效、实时的要求，而近些年兴起的多节点辐射监测方式能迅速、准确地进行远程监控。鉴于此，本文采用STM32作为节点控制器，结合CAN收发器，利用CAN总线组网实现γ放射性辐射监测，解决信号的采集、处理与信号传输等问题。
1 总体方案设计
如图1为γ放射性辐射监测系统总体方案设计框图，由监测主机和监测节点组成。监测主机实现CAN总线数据接收、TFT液晶显示和声音报警，监测节点完成信号采集、信号处理和数据发送。
为满足系统实时性和便携性的要求，监测节点采用了NAI探测器、高压模块、信号调理电路集成于一体的设计方案。设计框图如图2所示，NAI探测器与信号调理电路构成信号的采集、整形部分，STM32控制器完成剂量率的转换，并将γ辐射强度显示在TFT屏幕上进行现场监控，同时，利用CAN总线组网技术实现监测节点与监测主机的实时数据通信。
2 系统硬件设计
系统的硬件设计包括了电源模块、信号调理电路和CAN收发器3部分。电源模块为电路各部分提供不同电压，信号调理电路保证了可计数方波信号的可靠获取，CAN收发器实现监测主机与节点的实时通信。
2.1 电源模块设计
系统电路所需电压分别为12 V的信号调理电路电压、3.3 V的核心控制器电压与5V的运算放大器电压。为提高电路的精确性与稳定性，选取了TI公司的正向稳压芯片LM10851T进行电路电压转换，具体电路如图3所示。该芯片内置基准电压源和电流限制电路，能够调整电路恒定电流，并为电路提供稳定电压。
2.2 信号调理电路设计
核信号的精确采样在核辐射监测中至关重要，幅度与宽度稳定的脉冲信号可以确保系统能够准确获取探测器对不同射线的能量响应。对此，本系统采用低噪声、高带宽的双端运算放大器NE5532对信号调理电路进行了具体设计，如图4所示，主要由电阻调节放大增益，通过电压比较器LM311进行信号鉴别，并输出可测量的方波信号。
2.3 CAN收发器设计
如图5所示为CAN收发器接口电路图，选取带隔离的高速集成TJA1050芯片作为CAN收发器，其中RS为工作模式选择引脚，当设置为高电平模式时可防止CAN收发器失控造成的网络阻塞现象。通过设置J5可方便于增加负载，减少回波反射，达到避免高频信号在传输终端形成的反射波干扰原信号的效果。
3 系统软件设计
3.1 G（E）函数法
能谱剂量转换函数（G（E）函数）是一种通过对能谱进行加权处理来调整仪器能量响应的方法，此方法可将γ辐射剂量转换为与脉冲计数个数有关的函数，从而避免因探测器对不同能量射线响应差异而带来的误差。因此，本文采用对能谱范围内沉积能量求和的方法获得γ辐射剂量率，并通过最小二乘法计算由标准点源对探测器进行能量刻度的能谱求出G（E）函数中的权重值，其表示式为式中：i——能谱道数；
F（Ei）——能谱中能量为Ei的道所对应的计数；
G（Ei）——该道所对应的G（E）函数权重值。
3.2 系统监测节点程序设计
监测节点的数据发送主要是利用CAN总线通信实现，CAN总线通信的稳定性直接关系到监测系统的精确性。因此，设计采用两种监测机制先后对发送数据进行监测，防止数据的丢失与遗漏。首先，通过报文发送检查判定当前数据发送是否完成，并在确认数据发送完成后，由挂起报文量进一步排除数据遗漏的可能。当两种检测完成后，监测节点通知监测主机数据发送成功，并回到等待触发中断状态。具体流程图如图6所示，系统对内部配置与CAN控制器进行初始化后，打开外部中断接受方波信号，并通过G（E）函数法进行剂量率转换获得γ辐射剂量率。之后由上述两种检测机制确保数据的传输。
3.3 系统监测主机程序设计
监测主机的初始化与监测节点基本一致，通过使CAN接收中断打开CAN控制器进行数据通信，但考虑到数据在传输过程中可能存在丢失问题，程序设计采用了异或校验的方式确保监测节点发送数据的完整性，同时，一旦γ辐射剂量超过警戒阀值，监测主机将自动实施报警，具体流程图如图7所示。4性能测试与分析
根据上述设计思想完成了γ放射性辐射监测系统的设计，并对仪器的性能进行了测试和分析。
通过比较系统监测值与电离室测量结果，从而对仪器进行线性度测试（其中仪器测量值不包括宇宙射线剂量），结果如表1所示，仪器的监测值随能量增加而变化，且与电离室测量结果基本成线性关系。
系统的重复性检定结果如表2所示，通过对137Cs与60Co分别进行多次测量得出，系统的标准偏差σ=0.08，相对标准偏差为0.1%，误差完全在允许范围以内。
关键词：辐射监测；STM32；C（E）函数；CAN总线
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）05-0067-03
0 引言
在核辐射监测和预警领域，需对γ辐射剂量率进行实时监测，对辐射异常及时告警。随着核设施的不断建设与核应用的日益广泛，传统的点对点核辐射监测已不能满足高效、实时的要求，而近些年兴起的多节点辐射监测方式能迅速、准确地进行远程监控。鉴于此，本文采用STM32作为节点控制器，结合CAN收发器，利用CAN总线组网实现γ放射性辐射监测，解决信号的采集、处理与信号传输等问题。
1 总体方案设计
如图1为γ放射性辐射监测系统总体方案设计框图，由监测主机和监测节点组成。监测主机实现CAN总线数据接收、TFT液晶显示和声音报警，监测节点完成信号采集、信号处理和数据发送。
为满足系统实时性和便携性的要求，监测节点采用了NAI探测器、高压模块、信号调理电路集成于一体的设计方案。设计框图如图2所示，NAI探测器与信号调理电路构成信号的采集、整形部分，STM32控制器完成剂量率的转换，并将γ辐射强度显示在TFT屏幕上进行现场监控，同时，利用CAN总线组网技术实现监测节点与监测主机的实时数据通信。
2 系统硬件设计
系统的硬件设计包括了电源模块、信号调理电路和CAN收发器3部分。电源模块为电路各部分提供不同电压，信号调理电路保证了可计数方波信号的可靠获取，CAN收发器实现监测主机与节点的实时通信。
2.1 电源模块设计
系统电路所需电压分别为12 V的信号调理电路电压、3.3 V的核心控制器电压与5V的运算放大器电压。为提高电路的精确性与稳定性，选取了TI公司的正向稳压芯片LM10851T进行电路电压转换，具体电路如图3所示。该芯片内置基准电压源和电流限制电路，能够调整电路恒定电流，并为电路提供稳定电压。
2.2 信号调理电路设计
核信号的精确采样在核辐射监测中至关重要，幅度与宽度稳定的脉冲信号可以确保系统能够准确获取探测器对不同射线的能量响应。对此，本系统采用低噪声、高带宽的双端运算放大器NE5532对信号调理电路进行了具体设计，如图4所示，主要由电阻调节放大增益，通过电压比较器LM311进行信号鉴别，并输出可测量的方波信号。
2.3 CAN收发器设计
如图5所示为CAN收发器接口电路图，选取带隔离的高速集成TJA1050芯片作为CAN收发器，其中RS为工作模式选择引脚，当设置为高电平模式时可防止CAN收发器失控造成的网络阻塞现象。通过设置J5可方便于增加负载，减少回波反射，达到避免高频信号在传输终端形成的反射波干扰原信号的效果。
3 系统软件设计
3.1 G（E）函数法
能谱剂量转换函数（G（E）函数）是一种通过对能谱进行加权处理来调整仪器能量响应的方法，此方法可将γ辐射剂量转换为与脉冲计数个数有关的函数，从而避免因探测器对不同能量射线响应差异而带来的误差。因此，本文采用对能谱范围内沉积能量求和的方法获得γ辐射剂量率，并通过最小二乘法计算由标准点源对探测器进行能量刻度的能谱求出G（E）函数中的权重值，其表示式为式中：i——能谱道数；
F（Ei）——能谱中能量为Ei的道所对应的计数；
G（Ei）——该道所对应的G（E）函数权重值。
3.2 系统监测节点程序设计
监测节点的数据发送主要是利用CAN总线通信实现，CAN总线通信的稳定性直接关系到监测系统的精确性。因此，设计采用两种监测机制先后对发送数据进行监测，防止数据的丢失与遗漏。首先，通过报文发送检查判定当前数据发送是否完成，并在确认数据发送完成后，由挂起报文量进一步排除数据遗漏的可能。当两种检测完成后，监测节点通知监测主机数据发送成功，并回到等待触发中断状态。具体流程图如图6所示，系统对内部配置与CAN控制器进行初始化后，打开外部中断接受方波信号，并通过G（E）函数法进行剂量率转换获得γ辐射剂量率。之后由上述两种检测机制确保数据的传输。
3.3 系统监测主机程序设计
监测主机的初始化与监测节点基本一致，通过使CAN接收中断打开CAN控制器进行数据通信，但考虑到数据在传输过程中可能存在丢失问题，程序设计采用了异或校验的方式确保监测节点发送数据的完整性，同时，一旦γ辐射剂量超过警戒阀值，监测主机将自动实施报警，具体流程图如图7所示。4性能测试与分析
根据上述设计思想完成了γ放射性辐射监测系统的设计，并对仪器的性能进行了测试和分析。
通过比较系统监测值与电离室测量结果，从而对仪器进行线性度测试（其中仪器测量值不包括宇宙射线剂量），结果如表1所示，仪器的监测值随能量增加而变化，且与电离室测量结果基本成线性关系。
系统的重复性检定结果如表2所示，通过对137Cs与60Co分别进行多次测量得出，系统的标准偏差σ=0.08，相对标准偏差为0.1%，误差完全在允许范围以内。