隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片設(shè)計水平的不斷進步，ARM微處理器的性能得到大幅度地提高，同時其芯片的價格也在不斷下降，嵌入式系統(tǒng)以其獨有的優(yōu)勢，己經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究和日常生活的各個方面。 本文以ARM7 LPC2132處理器為核心，結(jié)合蓋革一彌勒計數(shù)管對Time-To-Count輻射測量方法進行研究。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令集計算機(RISC)原理而設(shè)計的，其指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單得多，使用一個小的、廉價的ARM微處理器就可實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。基于ARM7TDMI-S核的LPC2132微處理器，其工作頻率可達到60MHz，這對于Time-To-Count技術(shù)是非常有利的，而且利用LPC2132芯片的定時/計數(shù)器引腳捕獲功能，可以直接讀取TC中的計數(shù)值，也就是說不再需要調(diào)用中斷函數(shù)讀取TC值，從而大大降低了計數(shù)前雜質(zhì)時間。本文是在我?guī)熜謪诬姷摹禩ime-To-Count測量方法初步研究》基礎(chǔ)上，使用了高速的ARM芯片，對基于MCS-51的Time-To-Count輻射測量系統(tǒng)進行了改進，進一步論證了采用高速ARM處理器芯片可以極大的提高G-M計數(shù)器的測量范圍與測量精度。 首先，討論了傳統(tǒng)的蓋革-彌勒計數(shù)管探測射線強度的方法，并指出傳統(tǒng)的脈沖測量方法的不足。然后討論了什么是Time-To-Count測量方法，對Time-To-Count測量方法的理論基礎(chǔ)進行分析。指出Time-To-Count方法與傳統(tǒng)的脈沖計數(shù)方法的區(qū)別，以及采用Time-To-Count方法進行輻射測量的可行性。 接著，詳細論述基于ARM7 LPC2132處理器的Time-To-Count輻射測量儀的原理、功能、特點以及輻射測量儀的各部分接口電路設(shè)計及相關(guān)程序的編制。 最后得出結(jié)論，通過高速32位ARM處理器的使用，Time-To-Count輻射測量儀的精度和量程均得到很大的提高，對于Y射線總量測量，使用了ARM處理器的Time-To-Count輻射測量儀的量程約為20 u R/h到1R/h，數(shù)據(jù)線性程度也比以前的Time-To-CotJnt輻射測量儀要好。所以在使用Time-To-Count方法進行的輻射測量時，如何減少雜質(zhì)時間以及如何提高計數(shù)前時間的測量精度，是決定Time-To-Count輻射測量儀性能的關(guān)鍵因素。實驗用三只相同型號的J33G-M計數(shù)管分別作為探測元件，在100U R/h到lR/h的輻射場中進行試驗.每個測量點測量5次取平均，得出隨著照射量率的增大，輻射強度R的測量值偏小且與輻射真實值之間的誤差也隨之增大。如果將測量誤差限定在10％的范圍內(nèi)，則此儀器的量程范圍為20 u R/h至1R/h，量程跨度近六個數(shù)量級。而用J33型G-M計數(shù)管作常規(guī)的脈沖測量，量程范圍約為50 u R/h到5000 u R/h，充分體現(xiàn)了運用Time-To-Count方法測量輻射強度的優(yōu)越性，也從另一個角度反應(yīng)了隨著計數(shù)前時間的逐漸減小，雜質(zhì)時間在其中的比重越來越大，對測量結(jié)果的影響也就越來越嚴重，盡可能的減小雜質(zhì)時間在Time-To-Count方法輻射測量特別是測量高強度輻射中是關(guān)鍵的。筆者用示波器測出此輻射儀器的雜質(zhì)時間約為6.5 u S，所以在計算定時器值的時候減去這個雜質(zhì)時間，可以增加計數(shù)前時間的精確度。通過實驗得出，在標定儀器的K值時，應(yīng)該在照射量率較低的條件下行，而測得的計數(shù)前時間是否精確則需要在照射量率較高的條件下通過儀器標定來檢驗。這是因為在照射量率較低時，計數(shù)前時間較大，雜質(zhì)時間對測量結(jié)果的影響不明顯，數(shù)據(jù)線斜率較穩(wěn)定，適宜于確定標定系數(shù)K值，而在照射量率較高時，計數(shù)前時間很小，雜質(zhì)時間對測量結(jié)果的影響較大，可以明顯的在數(shù)據(jù)線上反映出來，從而可以很好的反應(yīng)出儀器的性能與量程。實驗證明了Time-To-Count測量方法中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是如何對計數(shù)前時間進行精確測量。經(jīng)過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，得到計數(shù)前時間中的雜質(zhì)時間可分為硬件雜質(zhì)時間和軟件雜質(zhì)時間，并以軟件雜質(zhì)時間為主，通過對程序進行合理優(yōu)化，軟件雜質(zhì)時間可以通過程序的改進而減少，甚至可以用數(shù)學(xué)補償?shù)姆椒▉淼窒瑥亩梢缘玫奖容^精確的計數(shù)前時間，以此得到較精確的輻射強度值。對于本輻射儀，用戶可以選擇不同的工作模式來進行測量，當(dāng)輻射場較弱時，通常采用規(guī)定次數(shù)測量的方式，在輻射場較強時，應(yīng)該選用定時測量的方式。因為，當(dāng)輻射場較弱時，如果用規(guī)定次數(shù)測量的方式，會浪費很多時間來采集足夠的脈沖信號。當(dāng)輻射場較強時，由于輻射粒子很多，產(chǎn)生脈沖的頻率就很高，規(guī)定次數(shù)的測量會加大測量誤差，當(dāng)選用定時測量的方式時，由于時間的相對加長，所以記錄的粒子數(shù)就相對的增加，從而提高儀器的測量精度。通過調(diào)研國內(nèi)外先進核輻射測量儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，了解到了目前最新的核輻射總量測量技術(shù)一Time-To-Count理論及其應(yīng)用情況。論證了該新技術(shù)的理論原理，根據(jù)此原理，結(jié)合高速處理器ARM7 LPC2132，對以G-計數(shù)管為探測元件的Time-To-Count輻射測量儀進行設(shè)計。論文以實驗的方法論證了Time-To-Count原理測量核輻射方法的科學(xué)性，該輻射儀的量程和精度均優(yōu)于以前以脈沖計數(shù)為基礎(chǔ)理論的MCS-51核輻射測量儀。該輻射儀具有量程寬、精度高、易操作、用戶界面友好等優(yōu)點。用戶可以定期的對儀器的標定，來減小由于電子元件的老化對低儀器性能參數(shù)造成的影響，通過Time-To-Count測量方法的使用，可以極大拓寬G-M計數(shù)管的量程。就儀器中使用的J33型G-M計數(shù)管而言，G-M計數(shù)管廠家參考線性測量范圍約為50 u R/h到5000 u R/h，而用了Time-To-Count測量方法后，結(jié)合高速微處理器ARM7 LPC2132，此核輻射測量儀的量程為20 u R/h至1R/h。在允許的誤差范圍內(nèi)，核輻射儀的量程比以前基于MCS-51的輻射儀提高了近200倍，而且精度也比傳統(tǒng)的脈沖計數(shù)方法要高，測量結(jié)果的線性程度也比傳統(tǒng)的方法要好。G-M計數(shù)管的使用壽命被大大延長。 綜上所述，本文取得了如下成果：對國內(nèi)外Time-To-Count方法的研究現(xiàn)狀進行分析，指出了Time-To-Count測量方法的基本原理，并對Time-T0-Count方法理論進行了分析，推導(dǎo)出了計數(shù)前時間和兩個相鄰輻射粒子時間間隔之間的關(guān)系，從數(shù)學(xué)的角度論證了Time-To-Count方法的科學(xué)性。詳細說明了基于ARM 7 LPC2132的Time-To-Count輻射測量儀的硬件設(shè)計、軟件編程的過程，通過高速微處理芯片LPC2132的使用，成功完成了對基于MCS-51單片機的Time-To-Count測量儀的改進。改進后的輻射儀器具有量程寬、精度高、易操作、用戶界面友好等特點。本論文根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)出了Time-To-Count技術(shù)中的幾點關(guān)鍵因素，如：處理器的頻率、計數(shù)前時間、雜質(zhì)時間、采樣次數(shù)和測量時間等，重點分析了雜質(zhì)時間的組成以及引入雜質(zhì)時間的主要因素等，對國內(nèi)核輻射測量儀的研究具有一定的指導(dǎo)意義。
心臟疾病一直是威脅人類生命健康的主要疾病之一。研究無創(chuàng)的心電信號檢測設(shè)備來檢測與評價心臟功能的狀況，并研究心臟疾病的成因是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的重要研究課題之一。動態(tài)心電記錄儀(Holter)是用于記錄24小時長時間心電圖的一種設(shè)備。研制高性能的動態(tài)心電記錄、監(jiān)護系統(tǒng)對于心血管疾病的診斷和治療具有十分重要的意義。 Holter技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年歷史，但目前的Holter仍存在許多不足之處：(1)許多Holter采用8位、16位單片機作為控制系統(tǒng)，運算能力有限，無法加入自動診斷功能：(2)數(shù)據(jù)存儲采用固定焊接在板上的存儲芯片，容量小，數(shù)據(jù)取出回放不方便；(3)大部分Holter還不能實現(xiàn)心電信號的實時遠程傳輸，心電數(shù)據(jù)的分析以及分析報告的獲取往往要滯后好幾天時間，不利于心臟疾病的及早診斷及治療。 針對這些不足，本文設(shè)計了一個基于ARM(一種32位嵌入式處理器)的動態(tài)心電記錄儀。該記錄儀具有運算功能強、能夠?qū)崿F(xiàn)心電信號實時遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶攸c。為確保信息不會因網(wǎng)絡(luò)傳輸故障而丟失，本系統(tǒng)同時還采用了便于攜帶的SD(Secure Digital Memory)閃存卡作為存儲媒介，具有大容量數(shù)據(jù)存儲的功能。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要完成的任務(wù)有心電信號的采集、心電信號的放大濾波、心電信號的顯示和心電信號的存儲與傳輸。整個系統(tǒng)由一片ARM嵌入式微處理器控制，本系統(tǒng)中采用的嵌入式微處理器是三星的S3C44BOX。放大和濾波電路主要是對電極導(dǎo)聯(lián)傳來的心電信號進行放大和濾除干擾信號，以獲取合適的信號大小并保證采集的心電信號的正確性。心電信號的顯示是把心電信號實時地顯示在Holter的液晶屏上，能使患者直觀地觀察到自己的心電信號情況。心電信號的存儲采用了容量大、成本及功耗低并且體積小方便攜帶的SD卡來存儲心電數(shù)據(jù)。心電數(shù)據(jù)的傳輸是通過以太網(wǎng)實現(xiàn)的，以太網(wǎng)可以實現(xiàn)快速、高正確率的傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由醫(yī)院內(nèi)的服務(wù)器接收，并且在服務(wù)器端對心電信號進行相應(yīng)的顯示和處理。為實現(xiàn)上述功能編寫的系統(tǒng)軟件包括Holter的Bootloader的設(shè)計、uCLINUX操作系統(tǒng)的移植、A/D轉(zhuǎn)換程序、液晶屏的控制及菜單程序、SD卡FAT文件格式的數(shù)據(jù)存儲和服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收、波形顯示程序。本系統(tǒng)經(jīng)過一定的實驗證明符合設(shè)計要求，具有體積小、成本低、使用方便的特點。
