γ射线密度计系统的硬软件设计

1　γ射线密度计工作原理

挖泥船泥浆密度计(图1)利用γ射线吸收原理实现物质密度的非接触在线测量。当γ射线穿过物质后,其强度的衰减满足指数衰减关系

式中:μm、ρ、d是被测物质的质量吸收系数(cm2/g)、密度(g/cm3)和厚度(cm),I0、I为吸收前后的γ射线强度。

实验表明,如果选择合适的γ射线能量,可使I的衰减只与ρ、d有关。对于挖泥船密度计系统,可以推得泥浆的密度与计数的关系为[1]

式中Nw为管道内充满清水时的计数,N为管道内充满泥浆时的采样计数值。

2　系统硬件设计

系统采用Intel公司的8098单片机进行开发,选用EPROM 2764为其程序存储器,RAM6264为其数据存储器, 8D触发器74LS373作为地址锁存器。系统总体框图见图2。主要由输入、输出、单片机系统和电源4部分组成。

输入部分对输入信号进行处理,见图3。密度探头输出的负脉冲信号经由长电缆(50～100m)送入主机。由于信号前沿较陡、幅度较小(几十到几百mV),且含有噪声,所以选用专门集成电路对其进行放大、甄别、成形。

由于密度计工作现场的工况非常恶劣,共模干扰特别严重,因此系统设计时采用光电耦合器将系统前端信号采集处理部分与单片机系统完全隔离,以消除高内阻干扰信号的影响。考虑到探测器输出信号的随机特性,其瞬时波特率可能很高,为保证密度信号的正常传输,系统设计采用了高速光电耦合器。

鉴于设计思想要求,本系统既能单独使用,又可以作为整个监控系统的下位机,因而必须具有密度信号输出功能。即将采集的信号处理后,对密度以4～20mA的电流输出。设计中同样采用光电耦合器将单片机系统与输出电路部分完全隔离,因系统要求每5s输出一次密度值,故普通光耦就可以满足要求,但因为读写控制信号脉宽较窄,不能使光耦正常工作,因此采用了脉冲展宽电路对读写控制信号进行展宽,见图4。

数据处理由8098单片机完成。系统采用20键的非编码键盘输入和8位的LED显示密度值。具体电路由一片8279控制,其与CPU的连接采用中断控制方式。系统还提供打印输出功能以及掉电保护功能,其中打印控制电路由一片8255扩展构成。

单片机系统采用全译码方式,采用74LS138对A13～A15地址线进行译码,分别作为各部分的片选信号,由于系统中的I/O设备较多,3/8译码器提供的片选线不够,故又对A11、A12进行二次译码。

另外,系统还设有密度的模拟信号,以便在系统出现故障时对系统主机进行模拟检测。

3　系统软件的设计

系统软件使用8098汇编语言编程,采用模块化设计,结构清晰,便于维护与扩充。主要由以下模块组成:初始化模块、主控模块、采集处理模块、计算模块、显示模块、打印模块等。系统软件的流程图如图5所示,其方框图见图6。系统采用中断控制方式。上电后首先判断有无掉电保护标志,若有则恢复掉电前的状态,否则,系统初始化;然后系统设置相应的中断向量,接着程序进入消息循环等待中断。当中断发生后,系统立刻转入相应的中断处理子程序,完成对应的处理任务。在正常工作情况下,系统每5s产生一次数据采集中断信号,在中断中对数据进行采集,处理及计算;键盘保护中断用来根据不同的键值调用相应的功能模块,以完成相应的任务。掉电保护中断设为8098的EXT-