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目录
摘要i
Abstractii
第一章绪论部分1
1.1课题背景1
1.1.1北京正负电子对撞机与谱仪1
1.1.2剂量率在线检测的意义2
1.2剂量率探测器和温度探测器2
1.2.1剂量率探测器1
1.2.2温度探测器2
1.3论文主要工作3
第二章系统硬件设计10
2.1剂量率和温度数据采集及A/D转换10
2.2FPGA逻辑电路10
2.3基于ColdFire5282的数据处理通信模块设计13
2.3状态指示电路19
2.4接口电路21
2.5电源电路22
第三章嵌入式uCLinux平台搭建24
3.1建立交叉编译环境24
3.2BootLoder移植25
3.3uCLinux内核移植26
3.4根文件系统的制作27
3.5驱动程序28
第四章下位机软件实现34
4.1FPGA功能设计34
4.1.1FPGA与DDC118之间的通信34
4.1.2FPGA与MAX1246之间的通信
4.1.3FPGA与MCU之间的通信37
4.2MCU程序设计39
4.2.1中断处理子程序39
4.2.2通信及数据处理主程序41
第五章上位机软件24
5.1数据处理24
5.2在线显示25
5.3数据库操作26
第六章系统性能测试43
6.1指标性能测试43
6.2测试数据分析45
6.2.1精度45
6.2.2精密度47
6.2.3线性度47
6.3网络性能测试48
第七章BESIII12通道剂量率系统的维护改进及数据分析43
7.1下位机与上位机之间的延时问题43
7.1.1发现延时问题45
7.1.2分析查找延时原因47
7.1.3修改程序解决问题47
7.2停机时分钟剂量率偶发漂移增长问题45
7.2.1发现问题45
7.2.2分析两年运行数据47
7.2.3解决问题(增加自动扣台阶功能)47
7.3去掉不必要的清零逻辑48
7.4第1和2通道剂量率接触不良问题45
第八章总结与展望50
8.1本论文工作总结50
8.2今后工作展望50
参考文献52
攻读研究生期间发表的论文和科研成果54
致谢55
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1北京正负电子对撞机与谱仪
北京正负电子对撞机(BEPC)于1988年10月在中国科学院高能物理所建成。
它由注入器(BEL)、输运线、储存环、北京谱仪(BES)和同步辐射装置(BSRF)等几部分组成。
注入器是一台200米长的直线加速器,用于为储存环提供能量为1.1~1.55GeV的正负电子束。
输运线连接注入器和储存环,将注入器输出的正负电子分别传送到储存环里。
储存环是一台周长为240.4米的环型加速器,它将正负电子加速到需要的能量,并加以储存。
用于高能物理研究的大型探测器北京谱仪位于储存环南侧对撞点。
同步辐射装置则位于储存环第三和第四区,在这里,负电子经过弯转磁铁和扭摆器时发出的同步辐射光经前端区和光束线引至各个同步辐射实验站。
遵循上述国际高能物理发展的普遍方式,在BEPCI/BESII圆满完成预期任务后,决定以较小的投入将其改造为BEPCII/BESIII。
改造后的BEPCII采用双环方案、多束团、大交叉角对撞方式,将亮度提高两个数量级,成为当前国际上最先进的双环对撞机。
1.1.2剂量率在线检测的意义
BEPCII对撞区的辐射场是一个主要成分为g光子,簇射电子和中子的宽能量范围和高强度的混和场,根据时间结构划分,它由对撞期间的稳定场和注入期间的脉冲场组成。
一方面束流能量、流强以及对撞亮度的提高使对撞区的辐射本底越来越强,另一方面中心束流管的设计使得它非常脆弱,如果束流由于外界原因偏离原先轨道,可能会造成大量高能粒子直接击中束流管,引起束流管局部发热严重而导致其损坏,另外,过高的辐射本底会降低各子探测器的寿命甚至损坏探测器,并且本底进入子探测器会对探测器数据造成干扰,影响物理结果的可靠性。
因此BEPCII对撞区的束流相关本底成为备受关注的问题。
BESIII上的剂量率在线检测系统是12通道的,如图1所示,该系统运行几年以来能够满足BEPCII的要求。
BESIII上12通道的剂量率测量系统运行两年多来,各通道探测器暗电流随着辐射损伤的不断加大呈上升趋势(第3路的已经损坏,没有列出),如图1所示,不同位置的增长速度不一样。
对于0.02度的温度测量精度,现在系统的测量误差增大了1.2nA,对应约0.048mGy/s的剂量率,符合系统的要求。
随着辐射损伤的加重,温度补偿的误差将以每年0.024mGy/s的幅度增长,但由于温度是一个缓慢变化的物理量,很难引起暗电流的快速跳变,而束流研究感兴趣的往往是剂量率发生快速变化,或不同位置的剂量率存在显著差异的情形,这种情况下,系统在探测器工作几年之后所测量的数据将仍然具有很高的参考价值。
图112通道剂量率检测系统暗电流增长情况
现在由于试验束靶室剂量测量和本底研究的需求,需要16通道的剂量率检测系统,本文描述了新的剂量率检测系统软硬件的设计。
1.2剂量率探测器和温度探测器
本系统可选用XRB110s-CB380(试验束靶室)或S3590-08型(本底研究)PIN硅光电二极管(PIN-Diode)作为剂量率探测器,PT1000作为温度传感器,修正PIN-Diode暗电流随温度的变化,再经过精密的电子学测量系统和微处理器的软件滤波,能为试验束靶室剂量测量、本底研究和辐射防护提供足够可靠的数据。
1.2.1剂量率测量
半导体探测器是20世纪60年代以来迅速发展起来的一种新型射线探测器,因工作原理类似于气体电离室而被称为“固体电离室”。
它以半导体材料作为探测介质,按材料结构可分为三类:
均匀型半导体探测器、结型半导体探测器以及P-I-N型半导体探测器,常用的半导体探测器有金硅面垒探测器、高纯锗(HPGe)探测器以及锂漂移硅探测器等。
半导体探测器的主要优点有:
²电离辐射在半导体介质中产生一个电子-空穴对平均所需能量大约为在空气中所需能量的十分之一(硅材料中为3.6eV,空气中约为34eV),即同等的入射粒子能量损失在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的约多一个量级,因而电荷数的相对统计涨落也就小得多,所以半导体探测器的能量分辨率很高;²带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高大约三个量级,所以当测高能电子或γ射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多,因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器;
²测量电离辐射的能量时,线性范围宽。
半导体探测器的主要缺点在于其对辐射损伤较灵敏,受强辐照后性能变差,另外有些半导体探测器如常用的锗探测器,需要在低温(液氮)条件下工作,甚至要求在低温下保存,使用不便。
传统的P-I-N半导体探测器的I层一般使用锂漂移技术制成,为减小暗电流及防止离子对的离解,此类探测器的使用和保存都需要低温环境,因而大大限制了其应用领域。
随着半导体工艺的发展,开始出现了以高纯硅为原材料制成的本征半导体,由于硅在300oK的禁带宽度为1.12eV,大于锗的0.67eV,其由热激发产生的载流子数目远小于锗材料,所以这种工艺制成的P-I-N半导体探测器不需要像Ge(Li)探测器一样低温保存和使用,PIN型硅光电二极管就是其中最常用的一种。
硅光电二极管有自己的特点和优势,在很多应用中具有相当的优越性。
在应用于剂量或剂量率测量的场合时,由于其电流输出的特点可以做到在线测量,比起传统的电离室等,它有体积小、成本低、不需要高压等优点。
与计数管、闪烁探测器相比,其电流输出的特性可以避免脉冲场下的死时间问题,在很多场合下可以代替计数管、电离室等传统探测器。
美国SLAC的Babar探测器和日本KEK的Belle探测器都是利用它测量其硅顶点探测器的辐照本底。
本系统也将选用PIN型硅光电二极管作为剂量率探测器。
图2剂量率前端探测器线路原理图
当辐射光子或带电粒子入射到探测器的灵敏区域,损失的能量引起本征层的价电子跃迁,产生的电子-空穴对在内建电场作用下分别漂移,形成信号电流,通过测信号电流来实现剂量率的测量。
图3PIN-Diod暗电流随温度的变化情况
PIN-Diode灵敏度高,上升时间快,实际灵敏度值为(2.77±0.02)×10-5A/Gy•s-1,即4mrad/s的剂量可产生1nA的信号电流。
其温度系数为1.114(即温度每升高1℃,暗电流变为原先的1.114倍),因此,在PIN-Diode的使用场合,需要对其做温度补偿和辐射损伤的修正,扣除掉这部分暗电流对信号电流的影响[1]。
根据应用过程中的经验,在PIN硅光电二极管刚开始使用时,由于暗电流仅为1nA左右(使用保护环),温度补偿相对来说比较简单。
假定温度测量的精度为.1度,由公式2-4可知,温度波动造成的暗电流误差仅为正负0.01nA左右,而信号电流一般在nA量级,因此,这部分干扰可以忽略,此时系统的测量精度主要决定于电子学的精度。
如果所使用的PIN硅光电二极管受过一定量的照射,造成暗电流有显著的增长,则温度补偿就显得非常重要。
假定,辐射损伤造成暗电流增长了200nA,那么同样的温度测量精度,将会使暗电流有正负2nA的波动,跟信号电流在一个量级,这严重影响系统的测量精度
退火过程一般分两个阶段:
短期退火和长期退火,短期退火可持续几分钟至一个小时左右,表现为暗电流的快速下降,短期退火后的辐照损伤一般被称为永久损伤(permanentdamage)。
在之后还会有一个长期退火的过程,持续时间可达一年以上,这个过程中暗电流会缓慢的下降,下降幅度与照射条件、退火时间以及退火温度都有关系。
1.2.2温度测量
PT1000是一种金属电阻温度传感器(RTD),与其它类型的温度传感器相比,RTD的精度较高,稳定性好,体积适中,线性好,测量温度范围广[2]。
温度每升高1度,PT1000阻值增大3.9欧姆。
升级版的改进部分集中在测温原理以及由此导致的温度信号片选、A/D方法的改变。
图4温度前端探测器线路原理图
1.3论文主要工作
为了实现对16通道剂量率在线监测,论文主要完成的工作是:
设计前端温度和剂量率模拟信号采集及FPGA电路,搭建ColdFire5282嵌入式平台,开发基于uCLinux的应用程序和驱动程序,完成与上位机Labview的通信等。
论文的主要章节安排如下:
第一章为绪论,简要的介绍了北京正负电子对撞机及谱仪的情况,提出了本检测系统的开发意义、使用场合,并简要介绍了本系统所使用的探测器的测量原理。
第二章为系统硬件设计,包括前端模拟处理采集电路设计、FPGA逻辑电路设计以及基于ColdFire5282的后端数据处理通信模块的设计,还介绍了机箱面板和状态指示电路的设计、本系统接口的设计。
第三章主要介绍嵌入式uCLinux平台搭建工作,主要包括交叉编译环境的搭建、Bootloder的移植、uCLinux内核的移植、根文件系统的制作、驱动程序的编写等。
第四章是系统下位机软件实现,VHDL代码实现FPGA与前端温度和剂量率的A/D芯片以及后端MCU之间的通信,MCU程序包括中断处理子程序以及串口控制台和数据计算、网络通信主程序。
第五章是上位机Labview程序,读取MCU传过来的数据并进行显示和存数据库,同时向MCU发送扣台阶之类的命令。
第六章为本检测系统的性能测试,给出系统剂量率和温度测量精度的指标性能。
第七章为BESIII12通道剂量率系统的维护改进及数据分析
第八章是论文的总结,并提出了今后的工作和展望。
第二章系统硬件设计
数据采集系统从功能上主要有电源模块、放大电路、温度和剂量率测量电路、FPGA电路、微控制器等部分组成(见图3)。
图5系统整体设计
本系统的FPGA选用Altera公司的EP1C3芯片,处于整个系统的中间,控制ADC芯片并以串行方式读取温度和剂量率信号经模数转换后的数据,并进行简单处理。
主控芯片选用的是MCF5282,该芯片是32位基于ColdFireV2内核的变长RISC微处理器[3]。
MCU主要用于信号的处理,与上位机之间的通信通过RJ45的网口和RS232串口,由外部总线扩展的16MB的NandFlash和2*8MB的SDRAM(串联成8MWord,16位读写),可用于存储数据、程序以及固化嵌入式操作系统。
图616通道剂量率检测板子实物图
2.1剂量率和温度数据采集及A/D转换
2.1.1剂量率数据采集及A/D转换
剂量率探测器测量电流信号,本系统选用基于集成芯片DDC118[31]的20位电流输入A/D转换电路(这是积分放大电路的一种改进电路),TI公司的DDC101/112/114系列是专用于弱小电流测量的20位A/D转换芯片,如图3.5所示,DDC118内部集成了电流积分放大器、D-S调制器和数字滤波器组成的20位A/D转换器、数字输入输出缓冲和控制模块等。
由于将积分放大器、A/D转换器以及相应的控制模块都集成在单一的芯片中,只需要极少的外围器件就可以实现电流放大和A/D转换的功能,这使得电路的稳定性和一致性大大增强,并且简化了软硬件设计。
图7DDC118结构图
参考电压的精度很大程度上决定了A/D变换的精度,DDC118参考电源芯片选用ADI公司的REF198芯片[32],其初始精度高达0.05%,温度系数仅为2ppm/oC,最大输出电流为30mA。
精度和稳定性都较好的满足了本系统的需求,Ref198的输出通过一个RC滤波网络接到运算放大器OPA350[33]组成的电压跟随器的输入端,以提高基准电源的输出电流,OPA350的输入偏置电压仅为0.15mV,不会对参考电压造成影响。
图8DDC118参考电压模块
2.1.2温度数据采集及A/D转换
图9基于三电阻法的测温方案及四线制接法(一个通道)
由于温度是缓变量,为减少所使用的A/D转换器的数量,16个通道的温度信号引入数据采集主板后,先经过片选芯片(六片模拟开关MAX4638)依次选择每一个通道;对每一个通道,要计算温度值,都是要测铂电阻PT1000以及R1(1k欧姆)、R2(1.2k欧姆)两个标准电阻上的电压(分别记为Vit、Vi1、Vi2),再通过一个MAX4639四选一芯片(如图9所示),依次选取该通道的三个电压值送入OPA350UA放大后,由MAX1246(12位A/D芯片)进行模数转换,得到三个电压对应的ADC值Dt、D1、D2。
图10温度信号测量电路
系统对多路选通电路使用同一组控制信号TA0~3及TA3#,用于选通16路输入信号及每个输入的三个电压值,因此16路温度输入信号的测量需要通过多路复用器Max4638和Max4639内部的复用器进行两次选通。
在3.3V工作电压下,Max4638的选通电阻仅为2.5欧姆,在40度时,温度传感器的电阻变化系数约为220欧姆/度,10度时大于900欧度度,多路复用器对温度测量造成的误差不超过0.01oC。
另外,通道的选通和关断时间仅为14ns和6ns,远小于A/D转换的时间,Max1246的最高转换频率达100KHz以上,连续测量16路温度信号所用的时间仅为0.4ms左右,因此,可以认为16路温度探测器的输出所对应的是同一时刻。
2.2FPGA逻辑电路
FPGA主要用于完成对各子模块的时序控制以及结果读取,另外还起到扩展I/O的作用,选择FPGA芯片的依据主要是可用I/O数量及内部资源。
Altera公司的EP1C3[37]芯片具有104个最大可用I/O,内部共有2910个逻辑单元和7K左右的RAM空间,足以实现系统所需的各项功能。
EP1C3采用0.13mm工艺,内核电压1.5V,I/O电压3.3V,I/O引脚支持LVTTL、LVCMOS、SSTL-2以及SSTL-3等各项标准,可用作单端或差分输入,在差分模式下,I/O的最大传输率可达640Mbps。
每个I/O引脚的最大输入输出电流为25mA,可直接驱动LED。
除7KByte的用户RAM空间外,EP1C3还集成了4Kbit、200MHz的双口RAM模块,可用作高速数据缓冲。
其内部时钟可通过4个专用时钟引脚或8个复用的引脚输入,除12个外部输入的时钟源外,EP1C3还集成一个锁相环模块,可产生用户所需要的时钟频率。
为节省I/O资源,系统仅使用了3个时钟输入,分别输入10MHz、16MHz以及64MHz的时钟频率。
除时钟输入外,系统实际使用了约90条I/O引脚,其具体分配见图3.19。
这些I/O引脚主要为各子模块的控制信号以及微控制器的片选、读写、中断信号等,另外还包括一组剂量率探测器的状态指示信号
图11FPGA的I/O分配示意图
EP1C3另有大约40条引脚用于电源输入、程序下载以及模式选择等,这部分电路的连接见图3.20。
其中的电源输入分为内核电压和I/O电压,分别为1.5V和3.3V。
时钟输入分别由16MHz和10MHz的有源晶振以及微控制器的64MHz时钟输出提供。
锁相环模块需要提供单独的1.5V模拟电源,即使系统没有使用锁相环也要将该引脚连接到1.5V,为避免其它电路对锁相环的干扰,锁相环的电源与1.5V内核电源之间通过22mH电感隔离,锁相环的模拟地和保护环地都连接到信号地。
MSEL1和MSEL0用于选择FPGA芯片的配置方式。
其它引脚主要用于配置文件的下载,这些引脚都有相应的上拉/下拉要求。
每次系统上电时从串行EEPROM芯片EPCS1中拷贝配置文件到RAM中运行。
配置文件的下载通过10针的ByteBlasterII电缆,图3.21为下载电缆和EPCS1的线路连接图。
下载电缆连接PC机的并口,在PC机上可使用QuartusII6.0图形化集成开发环境完成综合、编译、验证、仿真以及下载等一切开发流程。
2.3基于ColdFire5282的数据处理通信模块设计
为了保证系统运行的稳定性,使用嵌入式操作系统是一个最佳的选择,一般的嵌入式操作系统都内嵌TCP/IP协议栈,用户可以专注于应用程序的开发,在协议栈实现上花费精力很少,并且一个成熟的嵌入式操作系统经过各种应用领域的长时间测试,一般不存在稳定性的问题。
嵌入式操作系统可以移植到多种硬件平台,Freescale的ColdFire系列32位微处理器因其强大的运算处理能力、丰富的集成外设模块以及高度可扩展性能而适合于嵌入式应用,本系统选择其中的MCF5282[38]作为主控制芯片,用于探测器读出数据的处理和上传。
ColdFire系列微处理器是Freescale公司延续其M68K系列微处理器推出的新一代32位高性能嵌入式微处理器,它继承了M68K系列优秀的指令集设计并融入了RISC架构的优点,在速度和架构之间得到了很好的平衡。
MCF5282基于ColdFireV2内核,在80MHz内部总线时钟频率下可达到76MIPS的执行速度。
其主要特点有:
²芯片内部带有512KB的Flash存储空间、4KB的SRAM空间以及2KB的指令或数据缓冲区;
²32位外部数据总线和24位地址总线可用于扩充存储空间,支持SRAM、SDRAM及FLASH;
²最大142个可用I/O,可满足大部分应用领域;
²集成10/100Mbit高速以太网MAC控制器,只需外加物理层接口器件(phyceiver)就可以实现以太网应用;
²提供3个通用异步串行接口模块(UART);
²两个4通道的通用定时器,可用作16位计数器、输入捕捉/输出比较功能;
²其它功能模块:
本地局域网模块(CAN2.0)、串行外设接口(QSPI)、8通道的10位A/D转换器(QADC)、I2C接口、DMA控制器以及锁相环(PLL)等。
图12 ColdFire5282嵌入式微控制器结构
系统使用了清华FreescaleMCU/DSP应用开发研究中心设计的MCF5282核心子板,核心子板上通过外部总线扩展了16MBNANDFLASH和2*8MB的SDRAM(串联成8MWord,16位读写),用于数据/程序存储以及嵌入式操作系统的固化。
核心子板使用物理层接口芯片RTL8201BL[39]和以太网隔离变压器HR601680完成了以太网接口的硬件实现,并引出了一个RJ4510/100Mbit网口和一个用于程序调试的RS232接口。
图3.24为核心子板的组成结构。
2.3状态指示电路
状态指示电路用于指示数据采集系统的工作状况以及12个探测器的剂量率水平,其中工作状况的指示由电源、网络连接(LINK)和网络活动状态(ACT)组成;探测器的剂量率水平指示通过LED颜色的不同以及闪烁频率的快慢代表正常、报警及断束三种状态。
15个LED安装在数据采集机箱前面板上,通过34针的双排插座连接数据采集母板。
图13 机箱状态指示前面板
2.4接口电路
数据采集系统用于探测器输出信号的读出以及预处理,在整个数据流中处于中心位置,它必须通过接口电路连接其它子系统以完成整个的数据流程,这些接口电路包括探测器模拟信号输入以及与上位机的连接等。
2.4.1模拟信号输入部分
系统一共有16个探测器通道,每个通道包括剂量率探测器输出电流、温度传感器的三个测量电压以及偏压和模拟地,剂量率和温度的信号分别用两根30m长的电缆从BESIII(或直线加速器)的探测器安装处引出到电子学大厅(或直线控制室)机架的剂量率机箱后面板上。
图14 机箱后面板
剂量率的线缆接头直接接在板子前端,温度的信号先经过位于机箱后面板的转接小板,将16路温度的三个测量值分别统一到一起,再由三个34针的MHDR2X17双排插线引入主板。
2.4.1与上位机接口部分可以画一个连接示意图
数据采集系统与上位机的连接分为数据上传以及程序调试两部分,数据上传通过以太网接口和RS232串口实现,所有探测器数据同时输出到这两个接口,可以使用PC机的网络接口和串口读入。
程序调试接口分为FPGA和微控制器两部分,FPGA使用10针的ByteBlasterII下载电缆进行编程,微控制器的编程则通过26针的BDM(背景调试模式)电缆,这两个电缆都连接到PC机的并口。
2.4电源模块
由于本系统对测温精度要求很高,而且前端模拟部分对干扰很是敏感,于是选用纹波比较小的朝阳线性完成~220v电源到直流+-12v的转换。
图15电源模块结构示意图
AC-DC模块的输出电压通常有3V、5V、12V等,由于本系统有相对敏感的模拟电路,不能直接使用AC-DC模块输出的电源,因而选择12V/1.25A的型号。
通常可使用三端稳压芯片来得到稳定的5V和3.3V电压,但实际应用中存在压差过大导致发热严重的问题,因此系统采用了另外一种设计方案:
150KHz/3A的可调输出降压芯片LM2596[41],通过调节使其输出为6V左右,再使用低压差(LDO)的三端稳压芯片MIC29310-5.0[42]和LM1086-3.3[43]得到5V和3.3V电压,图3.28为电源模块原理图。
为减小交流电压对数据采集系统的影响,在220V交流电源输入AC-DC模块之前,先通过交流滤波器,并且AC-DC模块和LM2596单独位于一块小路板上,两个LDO三端稳压芯片位于母板,6V输出电压通过导线连接到母板。
第三章嵌入式uCLinux平台搭建
3.1uCLinux操作系统的介绍
Linux是一种很受欢迎的操作系统,它与UNIX系统兼容,开放源代码。
它原本被设计为桌面系统,现在广泛
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