摘要：介紹了能譜型核測井儀的設(shè)計(jì)方案，其目標(biāo)是研制適用于鈾礦勘查的便攜式測井儀，滿足測井生產(chǎn)的需要。該儀器采用碲鋅鎘CdZnTe 半導(dǎo)體核輻射探測器，高端的32 位嵌入式ARM 處理器S3C2410A 為儀器系統(tǒng)控制核心，并在此硬件平臺(tái)上移植了嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，編寫了基于 MiniGUI 的測井儀監(jiān)控終端軟件。儀器具有實(shí)時(shí)性、體積小、功耗低、靈敏度高、成本低、便于攜帶等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng); Linux; MiniGUI; 核測井儀; 碲鋅鎘半導(dǎo)體探測器
Energy Spectrum Nuclear logging Instrument based on Embedded System
SHEN Hong-zhong, TANG Bin
（School of Information Engineering, East China Institute of Technology, Fuzhou 344000, China）
Abstract: This paper introduces a design project of energy spectrum nuclear logging instrument，the purpose of such instrument was to provide a portable device suitable to the prospecting and exploration of uranium deposit. This instrument uses CdZnTe detector as nuclear radiation detector and S3C2410A, a 32- bit high performance embedded ARM processor, as micro processor unit. Based on this hardware platform, embedded Linux system is ported. The monitoring system of nuclear logging instrument is developed by using MiniGUI. The instruments carry the characteristic of small size, low power, high sensitivity, low cost, and outstanding portability.
Key Words: embedded system; Linux; MiniGUI; nuclear logging instrument; CdZnTe detector

1    引言
      民用非動(dòng)力核技術(shù)是國家鼓勵(lì)發(fā)展的高新技術(shù)，其中核測井技術(shù)是隨著當(dāng)代科技的發(fā)展以及它在石油、煤炭、鈾礦等地質(zhì)礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域的應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的尖端測井技術(shù)之一。目前， 適用于鈾礦核測井的國產(chǎn)儀器較少， 主要有成都理工大學(xué)研制的HFC-1 型γ 能譜測井儀器、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-4002 型綜合測井儀等。這些儀器多數(shù)采用筆記本電腦為測井儀器系統(tǒng)的控制核心，為了能夠更好適應(yīng)野外測量工作的復(fù)雜環(huán)境，便于野外攜帶使用，本文將采用基于32 位處理器ARM 的嵌入式系統(tǒng)為測井儀系統(tǒng)的控制核心，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的軟硬件。
2    能譜型核測井儀的理論基礎(chǔ) 
      眾所周知，地殼的巖石和土壤中都有一定數(shù)量的放射性元素存在著，他們能夠自發(fā)地放出放射性射線。在自然界中，這些放射性射線主要來自鈾 -238 系列、釷-232 系列和鉀-40 系列等天然放射性元素。這些放射性元素有著各不相同的γ 射線特征譜峰，如鈾、釷、鉀的特征譜峰分別為 1.76 MeV、2.62 MeV、1.47 MeV，因此可以根據(jù)測量所得的能譜數(shù)據(jù)，判定測量點(diǎn)位置的放射性元素成分，即進(jìn)行放射性元素的定性分析。同時(shí)，放射性元素的含量與它的γ 射線強(qiáng)度成正比，因此只要計(jì)算出放射性元素的γ 射線強(qiáng)度，就可以得出相應(yīng)的放射性元素含量，放射性元素定量解釋方法主要有平均含量法、傳統(tǒng)剝譜法與逐點(diǎn)剝譜反褶積解釋法等。
      能譜型核測井方法是通過研究天然產(chǎn)生或人工激發(fā)的放射性射線譜沿井軸的分布特點(diǎn)而確定該地層中的某些元素成分和含量的一種無損檢測方法。能譜型核測井儀就是使用能譜型核測井方法在野外現(xiàn)場測量伽瑪射線能量譜，分析鈾、釷、鉀等放射性元素的性質(zhì)和含量的一種儀器。
3    核測井儀的總體方案設(shè)計(jì)
      能譜型核測井儀必須滿足體積小、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)、靈敏度高、便于野外攜帶使用等需求。針對(duì)這些需求，對(duì)能譜型核測井儀提出以下的設(shè)計(jì)方案：
3.1 數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案  
      數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)主要由井下探管、自動(dòng)絞車、能譜采集電路組成。
      井下探管主要包括核輻射探測器、前置放大器、探管外殼、電源等。目前國內(nèi)外的核輻射探測器主要有閃爍體探測器（如NaI（T1）無機(jī)晶體閃爍器）、半導(dǎo)體探測器（如高純鍺HPGe 半導(dǎo)體探測器、碲鋅鎘CdZnTe 半導(dǎo)體探測器）等。室溫碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體核輻射探測器是繼閃爍體探測器之后發(fā)展起來的一類新型先進(jìn)的探測器,室溫半導(dǎo)體核輻射探測器被認(rèn)為是一種理想的探測器,它既具有低溫半導(dǎo)體探測器的能量分辨率好,又具有閃爍晶體探測器的探測效率高,同時(shí)還具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇碲鋅鎘（CZT）半導(dǎo)體核輻射探測器為能譜型核測井儀的探測器。探管外殼用不銹鋼材料制作，同時(shí)做好防水密封性能，能滿足在測井的高溫高壓條件下正常工作。
      自動(dòng)絞車負(fù)責(zé)控制井下探管的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)探管在測井中進(jìn)行逐點(diǎn)測量方式或連續(xù)測量方式的移動(dòng)功能，并向嵌入式系統(tǒng)控制核心傳送井下探管的深度值。
      能譜采集電路實(shí)現(xiàn)對(duì)碲鋅鎘（CZT）探測器輸出的電脈沖信號(hào)線性放大、調(diào)整與去除信號(hào)噪聲，并將測量脈沖信號(hào)的范圍平均分成多個(gè)脈沖幅度間隔，然后統(tǒng)計(jì)處理后的脈沖信號(hào)在各個(gè)脈沖幅度間隔的個(gè)數(shù)，以便形成各個(gè)脈沖幅度的計(jì)數(shù)分布曲線。能譜采集電路主要由線性放大器、過峰檢測電路、峰值保持電路、觸發(fā)ARM920T處理器S3C2410A內(nèi)置A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換等組成。其電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
 

3.2    嵌入式系統(tǒng)在能譜型核測井儀中的應(yīng)用
3.2.1    嵌入式硬件系統(tǒng)
      能譜型核測井儀系統(tǒng)的控制核心ARM920T處理器S3C2410A是一款高端的32 位低功耗RISC微處理器，具有最高工作頻率 203MHZ、獨(dú)立的16KB 指令Cache與16KB數(shù)據(jù)Cache。存儲(chǔ)系統(tǒng)采用2MB的NOR Flash、128MB 的 NAND FLASH 與64MB 的SDRAM 相結(jié)合，作為程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。并設(shè)計(jì)了各種相應(yīng)的外圍接口，主要包括LCD接口、SPI鍵盤接口、USB 接口、以太網(wǎng)接口、RS232 接口與多道分析器MCA 接口等。采用5.4 英寸的LCD 真彩顯示屏，因S3C2410A 內(nèi)部已集成了 LCD 控制器，所以可以很方便地控制各種類型的LCD 顯示屏。
3.2.2   嵌入式軟件系統(tǒng)
      在核測井儀硬件平臺(tái)上編寫B(tài)ootloader 引導(dǎo)程序，用于初始化目標(biāo)板硬件，給操作系統(tǒng)提供板上硬件資源信息，并進(jìn)一步裝載、引導(dǎo)嵌入式Linux 操作系統(tǒng)。因U-Boot 具有廣泛的通用性，選擇U-Boot 在該硬件平臺(tái)上進(jìn)行移植，F(xiàn)lash 驅(qū)動(dòng)程序與SDRAM 驅(qū)動(dòng)程序的移植是U-Boot 成功移植的關(guān)鍵。
      嵌入式Linux 支持多種體系結(jié)構(gòu)，有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能支持，支持多文件系統(tǒng)，有豐富的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，此外Linux 還具備一整套工具鏈，使用戶容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、交叉運(yùn)行環(huán)境。在相應(yīng)的硬件平臺(tái)上裁剪與移植Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核， 并移植基于Linux的YAFFS嵌入式文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)采用YAFFS文件系統(tǒng)，具有速度快、占用內(nèi)存少等特點(diǎn)，自帶NAND 芯片驅(qū)動(dòng)，YAFFS 是專門為NAND 閃存設(shè)計(jì)的日志結(jié)構(gòu)嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。
3.2.3    基于MiniGUI 的監(jiān)控終端設(shè)計(jì)
      MiniGUI 是一個(gè)面向?qū)崟r(shí)嵌入式系統(tǒng)的輕量級(jí)圖形用戶界面支持系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于手持信息終端、機(jī)頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)儀表、便攜式多媒體播放機(jī)、查詢終端等產(chǎn)品和領(lǐng)域。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基于MiniGUI 圖形界面開發(fā)庫編寫，實(shí)現(xiàn)了能譜數(shù)據(jù)的采集、能譜曲線的顯示、數(shù)據(jù)文件的管理、能譜數(shù)據(jù)的分析等功能。能譜型核測井儀的監(jiān)控終端基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3    結(jié)束語
  本文瞄準(zhǔn)國內(nèi)外核測井儀的發(fā)展趨勢，結(jié)合便攜式儀器現(xiàn)場工作的特點(diǎn)以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，以高端ARM920T處理器S3C2410A為核心，并在其上移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)、YAFFS文件系統(tǒng)、MiniGUI 圖形界面開發(fā)庫、編寫了Bootloader 系統(tǒng)引導(dǎo)代碼、編寫了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、編寫基于Linux 操作系統(tǒng)和MiniGUI 的測井儀監(jiān)控終端軟件。
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