Hệ ghi-ño nơtron trình bày trong hình 2.19 ñược thiết kế-chế tạo phục vụ thí nghiệm ñếm nơtron trên kênh thực nghiệm nằm ngang của Lò phản ứng Đà Lạt, hoặc dùng cho việc ñào tạo nguồn nhân lực tại Trung tâm Đào tạo, Viện NCHN. Có hai hệ ñếm nơtron ñã chế tạọ Hệ ñầu tiên dùng vi ñiều khiển dòng PIC16F877 của hãng Microchip phục vụ thí nghiệm ghi nơtron trên kênh thực nghiệm số 4 khi thực hiện công trình [1]. Hệ thứ hai ñược xây dựng phục vụ công trình [9], trong ñó ngoại trừ bộ PA của Ấn Độ, các khối ñiện tử ñều ñược thực hiện tại Viện NCHN gồm: khối HV 5KV, khối AMP vừa nêu ở mục 2.2.2, khối FPGA-MCA8K ñã thiết kế-chế tạo qua các công trình [13, 32, 33].
Hai hệ thiết bị ghi-ño này ñược thiết kế dựa trên các dòng vi ñiều khiển PIC hoặc EZ-USB, ở ñây chỉ trình bày việc thiết kế-chế tạo khối FPGA-MCA8K dựa trên vi ñiều khiển dòng EZ-USB.
2.3.2. Thiết kế, chế tạo khối MCA8K dùng vi ñiều khiển EZ-USB
Sơ ñồ cấu trúc tổng thể của khối MCA8K ñược trình bày trong hình 2.20. Về nguyên tắc thiết kế ña phần giống với các khối MCD16K và MCA4K, tuy vậy, ñiểm mới của thiết kế này là ở chỗ: vi ñiều khiển AN2131Q ñược sử dụng ñể giao tiếp với PC qua cổng USB, chế ñộ truyền-nhận dữ liệu giữa hệ ñếm nơtron với PC tuân theo phương pháp truyền khối ở tốc ñộ toàn phần. Trong bộ µC AN2131Q, hai bộ ñếm/thời gian 16 bit Timer0, Timer1 ñược dùng ñể ño DT và LT của hệ thống và từ ñó suy ra ñược RT của toàn hệ. Bộ dao ñộng 24 MHz cho phép thiết bị này hoạt ñộng ở tốc ñộ tương ñối caọ Phương pháp liên kết cổng logic ñược ứng dụng cho phần giao diện và ñiều khiển toàn mạch, kể cả ñiều khiển khối biến ñổi A/D.
Bộ vi ñiều khiển dòng EZ ñảm nhiệm nhiều tác vụ sẵn có gồm: ño ñếm thời gian, ñiều khiển logic giao tiếp giữa ADC-MCD và giữa MCA với PC, truyền - nhận dữ liệu với RAM ngoài ñể hình thành phổ qua phần mềm ứng dụng LabView. Trong thiết kế này, µC AN2131Q ñóng vai trò bộ xử lý trung tâm. Vi chương trình
62 Lặp lại và T/H Kéo dài Đỉnh xung Chọn xung Σ SAR ADC 13 bit B ộ trừ DAC 12 bit Bñếộm Bộ ñệm 13 bit Điều khiển Logic phía ADC Phân biệt ngưỡng Máy tính Đệm dữ liệu Bộ nhớ ngoài Chốt nội bộ Chốt ñịa chỉ Cộng ñầy EZ-USB ECON DR DACC EOC BUSY ENDA USB Chốt Dữ liệu Đệm dữ liệu 2 chiều Dao ñộng 24MHz Viết zero Đọc byte dữ liệu ADC* CI PLL CO PL* IODIR MEOE RD/WR Vào EZ_IOD[0-7] M[A0-A15] C MIOD[0-7]
ñiều khiển thiết bị ñược phát triển cho phép thực hiện hai nhiệm vụ chính: liên kết với phần mềm ứng dụng thu nhận dữ liệu và ñiều khiển phần cứng. Sự kết hợp giữa giao diện máy tính với LabView và µC truyền qua cổng USB theo chế ñộ truyền khối tốc ñộ toàn phần 12Mb/s, phiên bản 2.0 là những ñặc ñiểm chủ yếu của hệ thiết bị nàỵ
Hình 2.20: Sơ ñồ tổng thể khối MCA8K dùng EZ-USB trong hệ ñếm nơtron.
2.3.3. Lưu ñồ thuật toán
Lưu ñồ thuật toán của vi chương trình ñọc thời gian thực [35] dùng bộ thời gian 8 bit (TMR1) của µC dùng cho hệ MCA ñược trình bày trong hình 2.21. Bộ TMR1 gồm 2 thanh ghi dịch sử dụng yêu cầu ngắt trong. Trước tiên, vi chương trình (Fwr) xóa TMR1, cặp thanh ghi thấp và cao ñều bằng 0. Kế tiếp, Fwr cập nhật nội dung mới vào cặp thanh ghi, nhận xung nhịp ngoài từ dao ñộng 24 MHz. Khi ñã thỏa mãn ñiều kiện, Fwr cho phép ngắt TMR1. Trong chế ñộ 0 của AN 2131Q, một chu trình ngắt chiếm 1 s; vì vậy yêu cầu ngắt nội 1 sẽ xuất hiện trong 1 giây và cờ tràn ñược xác lập. Tại thời ñiểm ñó Fwr kiểm tra chu trình thứ 2 ñược thỏa mãn chăng và nếu bằng 60 giây, thời gian trôi qua là 1 phút. Fwr tiếp tục tăng dần số phút cho ñến khi TMR1 bằng 1 giờ, µC tự ñộng tăng lên 1. Khi thời gian thực ñạt
63
65535s, hệ thống ngưng tức thì và chờ phép ño kế tiếp; nếu không sẽ thoát khỏi chu trình. Mã nguồn vi chương trình ñiều khiển ứng dụng EZ ñược biên dịch và nạp vào µC. Chương trình LabView cho phép thu nhận dữ liệu (dùng chung cho hệ MCA) ñược trình bày trong mục thảo luận về phát triển vi chương trình và trình ứng dụng thu nhận dữ liệu cho hệ ghi-ño gamma và nơtron.
2.3.4. Đặc trưng kỹ thuật của hệ phổ kế
ghi nơtron
Hệ phổ kế này ñược thực hiện dựa vào các công trình [9], [35], [36]. Hình ảnh sản phẩm thiết bị ñược trình bày trong phụ lục E, hình E6. Ngoài ra, một hệ ñếm nơtron khác dùng ống ñếm 3He ñã ñược thiết kế, chế tạo phục vụ thí nghiệm trên
kênh ñược biểu diễn trong cùng phụ lục E, hình E7. Các ñặc trưng kỹ thuật cơ bản của hệ
ghi-ño nơtron như sau:
Hình 2.21: Lưu ñồ thuật toán của chu trình ñọc/viết thời gian. +HV 5 kV với các tham số kỹ thuật [13], [15]: cực tính âm hoặc dương; thế cực ñại ngõ ra 5 kV, dòng ra 1 mA; ñộ tuyến tính toàn dải 0.03 %; ổn ñịnh thế < ± 0.2%/h ; tạp âm < 20 mV ñỉnh-ñỉnh từ 50 Hz ñến 5 MHz.
+AMP ngõ ra tam giác có các tham số kỹ thuật [31]: tín hiệu vào ñơn cực, dương, cực ñại 10 V; hệ số khuếch ñại thô thay ñổi ñược từ 5 ñến 50 lần; ñộ phi tuyến tích phân trong dải biên ñộ 0 ÷ 10 V nhỏ hơn 0.05%; ñộ trôi nhiệt < 100 pp/oC; thời hằng hình thành xung: 1, 2, 4, 6 µs. Bắt ñầu Xóa bộ thời gian 1 TMR1H:TMR1L = 0 Nạp cặp thanh ghi Định cấu hình cho xung nhịp ngoài Thỏa Osc? Cho phép ngắt TMR1 Đặt cờ tràn 1 s Xóa ngắt Tăng bước 1 s Trôi 60 s? Cộng 1 m Tăng bước 1 m Trôi 60 m? Cộng 1 h Tăng bước 1 h ? Trôi 18 h 20 TMR1H:TMR1L = 256 Kết thúc Phép ño mớỉ N Y Y Y N N
64 Bắt ñầu Chương trình MCA Cổng bận? Thu nhận
Trao ñổi dữ liệu Thông tin
thời gian Kết nối ADC với MCD Dữ liệu sẵn sàng? Thực hiện chu trình ñọc/viết Hiển thị phổ Kết thúc Xác lập và ño: -LT, DT, RT -ngày, tháng LT=PT? Dừng N Y Y N Y N
+MCA có ñộ phân giải 8192 kênh; thời gian biến ñổi A/D: 2.2µs; thời gian ño lớn nhất: 216 – 1; số ñếm cực ñại trên kênh: 224 – 1; ngưỡng ñiều khiển ñược bằng phần mềm; giao tiếp PC qua USB ở tốc ñộ toàn phần, chế ñộ truyền khốị
+Chương trình thu nhận dữ liệu phát triển bằng LabView và vi chương trình viết bằng C của hãng Ckeil51 theo dòng EZ-USB.
2.4. Phát triển chương trình ứng dụng thu nhận dữ liệu cho hệ ghi-ño gamma và nơtron và nơtron
2.4.1. Phát triển chương trình ứng dụng thu nhận dữ liệu MCANRI bằng VC++
Chương trình ứng dụng thu nhận dữ liệu MCANRI ñược viết bằng ngôn ngữ hướng ñối tượng trên nền Windows XP phục vụ cho hệ phổ kế ghi-ño bức xạ phục vụ nghiên cứu vật lý hạt nhân thực nghiệm. Chương trình này ñã ñược phát triển và từng bước cải thiện thông qua các công trình [13], [32], [33], [34] trong ñó kết hợp với việc áp dụng các phương pháp
giao diện và kỹ thuật FPGA ñể xây dựng thiết bị ñiện tử ñặc thù.
2.4.1.1. Lưu ñồ thuật toán và giải thích lưu ñồ
Lưu ñồ thuật toán cho chương trình giao tiếp với máy tính nhằm ñiều khiển phần giao diện ñọc/viết dữ liệu ñược trình bày trong hình 2.22. Khi bắt ñầu chương trình khởi phát MCA ñược khởi ñộng. Bình thường máy tính hiểu mặc ñịnh cổng giao diện ñược xác lập qua trạng thái xuất dữ liệu ở ngõ ra, do vậy trong phần mềm ứng dụng, trạng thái của cổng này ñược kiểm tra theo cờ trạng tháị Khi cờ này bằng 0 - cổng in, thông tin từ máy tính ñang ñược gửi ra; nếu cờ bằng 1 - cổng rỗị Như
Hình 2.22: Lưu ñồ thuật toán cho chương trình giao tiếp máy tính.
65
vậy, khi cờ bằng 1, chương trình khởi ñộng MCA ñiều khiển thu nhận dữ liệụ Khi bắt ñầu thu nhận, chương trình thực hiện hai nhiệm vụ ñồng thời: tác vụ ñọc/viết và tác vụ thời gian. Tác vụ hiển thị ngày giờ ño, dừng ño và ñặt thời gian ño cho khối giao diện. Tác vụ hỏi ñáp giữa PC với MCD ñược tiến hành theo chế ñộ bắt tay, sau khi có hiệu lực, giao tiếp hỏi ñáp giữa ADC với MCD xảy ra ñể tiến hành các chu trình trao ñổi dữ liệu giữa phía tương tự với phía giao diện. Nếu ADC biến ñổi xong biên ñộ tín hiệu sang số, khối ADC phát tín hiệu ñã sẵn sàng (Ready) báo cho MCD biết ADC sẵn sàng trao ñổi thông tin, từ ñó các chu trình ñọc/viết dữ liệu vào/ra bộ nhớ ngoài ñược thực hiện. Khi ñọc/viết xong phía MCD báo ngược lại cho phía ADC biết vừa kết thúc một chu trình nhờ xung Accepted (ñã nhận xong dữ liệu); thông tin từ ngoại vi sẽ ñược truyền tới máy tính, phổ sẽ hiển thị trên trang giao diện của chương trình.
2.4.1.3. Chương trình lưu phổ
2.4.1.3ạ Lưu ñồ thuật toán và giải thích hoạt ñộng của lưu ñồ
Việc trao ñổi dữ liệu giữa máy tính với khối giao diện thực chất là quá trình ghi nhận thông tin liên quan tới các sự kiện bức xạ ñược phân tích từ hệ thiết bị ngoài và các thông tin ñó cần ñược lưu trữ ñể người sử dụng có thể xử lý về saụ Do vậy, các chức năng cơ bản về lưu trữ thông tin là thành tố cần thiết khác trong việc phát triển thuật toán lưu phổ ñược trình bày ở hình 2.23.
Khi chương trình ñược khởi phát, các biểu tượng mặc ñịnh ñược hiển thị trên màn hình giao diện. Hai nhánh chính của lưu ñồ tập hợp dữ liệu và kiểm tra việc kết nối giao tiếp. Khi thỏa mãn kết nối, phổ và thông tin về phổ ñược hiển thị. Thông tin liên quan ñến phổ gồm các thời ñiểm ño, kết thúc ño, ngày tháng thu nhận, thời gian trôi qua, thời gian chết. Bình thường phổ cập nhập theo chế ñộ hiển thị tăng dần theo số ñếm sự kiện bức xạ mà hệ thu ñược, hết thời gian ñặt trước hệ sẽ tự dừng hoặc can thiệp bằng taỵ Các tác vụ hỗ trợ việc xử lý bằng tay gồm: xóa, ñóng mở, lưu tập tin, in phổ khi cần; co giãn, tăng giảm, chọn ñỉnh. Các số liệu liên quan ñỉnh phổ sẽ ñược chương trình tính toán, hiển thị như lấy tích phân, phông, ñộ phân giải nửa chiều caọ Phổ ghi nhận ñược chuẩn năng lượng theo ñường cong bậc hai hoặc tuyến tính. Việc chuẩn năng lượng thường ñược tiến hành sau khi ñã dừng
66
phép ño, chuẩn hiệu suất ñỉnh ñược tính toán theo phương pháp kinh nghiệm trong ñó các tham số của phép chuẩn ñược tính theo các công thức của Ortec hoặc Genie ñã trình bày ở mục 1.6 và phụ lục B.2.
Hình 2.23: Lưu ñồ thuật toán xử lý phổ của chương trình ứng dụng MCANRỊ
Bắt ñầu Cài ñặt Mặc ñịnh Giao diện màn Hiển thị Phổ Thông tin liên quan Bằng tay Tự ñộng cập Xóa Phân tích ñỉnh giãn Co Tăng giảm Định lượng Tổng số ñếm ñỉnh Diện tích ñỉnh Phông Sai số thống kê Trở về Định chuẩn phổ Chuẩn năng lượng Chuẩn hiệu suất Phương pháp kinh nghiệm Tính các tham số của ñường cong Tuyến tính f(x) = a0 + a1x B ậc hai f(x) = a0 + a1x + a2x2 Phương sai, µ Độ phi tuyến vi phân (DNL) Tính các tham số: a0, a1, a2 Tính các tham số: a0, a1 Độ phi tuyến tích phân (INL) Độ lệch chuẩn , σ Xử lý Thời gian Ngày, tháng ño Trạng thái ño Thời gian Đặt trước, Thời gian thực, RT ? = Dừng Trở về
67
2.4.1.3b. Giao diện chương trình thu nhận phổ
Hình 2.24: Phổ Co-60 và Cs-137 ño ñược khi dùng chương trình MCANRI.
Màn hình giao diện thể hiện trong hình 2.24 cho thấy kết quả phổ 60Co và
137Cs thu ñược khi ñiều khiển hệ phổ kế ghép máy tính bằng trình ứng dụng MCANRỊ Việc tính toán ñịnh lượng các ñại lượng liên quan ñỉnh phổ ñược trình bày trong chương 3, song về trực quan có thể ñề cập sơ bộ: thời gian ñặt trước bằng 2000 giây; thời gian thực trôi qua bằng 2042 giây; thời gian sống bằng 2000 giây; thời gian chết bằng 2.1%; thời ñiểm khởi phát ño là 15h00; thời ñiểm dừng là 15:34:02; con trỏ chính ñang ở vị trí tâm ñỉnh hấp thụ toàn phần năng lượng 1332.5 keV tại kênh 7274; diện tích ñỉnh bằng 4797, tổng số ñếm ñỉnh bằng 5755, phông của ñỉnh là 5755 – 4797 = 958; thang ñếm hiện hành là 16384; dải kênh là 8192; ngưỡng dưới: 16; ngưỡng trên: 8191; tổng số ñếm toàn phổ: 2596577.
2.4.2. Phát triển chương trình ứng dụng dữ liệu DSPMCA bằng LabView
Chương trình ñiều hành và thu nhận số liệu phân tích phổ ña kênh ñược viết và biên dịch trên ngôn ngữ LabWIEW 8.5, ñược phát triển phục vụ các phép ño thực nghiệm khi thực hiện các công trình [16], [19], [20], [35], [36]. Các nhiệm vụ chính
68
của chương trình gồm:
+Kết nối thiết bị với PC và chuyển các lệnh, dữ liệu giữa PC và thiết bị qua giao diện USB.
+Điều khiển quá trình thu nhận phổ ña kênh: khởi ñộng, dừng ño tự ñộng hoặc bằng tay, ñặt thời gian ño, lưu phổ, v.v...
+Bao gồm các tính năng cơ bản dùng xử lý dữ liệu phổ như hiển thị phổ biên ñộ, xử lý trỏ, số ñếm/kênh, co giãn phổ, chuẩn năng lượng.
2.4.2.1. Hàm kết nối thiết bị
Để hỗ trợ cho việc kết nối giao diện giữa chip mạch vi ñiều khiển, chẳng hạn dòng EZ-USB với PC ñược dễ dàng và thuận tiện, nhà sản xuất ñã thiết kế sẵn bộ chương trình ñiều khiển giao diện USB tương thích ñi kèm với loại vi mạch EZ- USB. Hình 2.25 biểu diễn hàm kết nối thiết bị với máy tính. Bộ giao diện này hỗ trợ ñầy ñủ các hàm cho việc kết nối giao diện, ñiều khiển luồng dữ liệu chứa trong tập tin hrezusb52.dll. Lần ñầu tiên khi thiết
bị kết nối với máy tính, bộ giao diện này yêu cầu phải ñăng ký giống như thủ tục kết nối các thiết bị ngoại vi khác.
Hình 2.25: Hàm kết nối thiết bị với máy tính. Để kết nối thiết bị với PC thông qua trình ứng dụng, chương trình sử dụng hàm ezUsb52_Open.vi, hàm này có các tính năng sau: thông số vào gồm VendorID, ProductID, DeviceNr nguyên 32bit (I32) ñược dùng như chỉ số của thiết bị, mặc ñịnh là chỉ số ñược gán tự ñộng sau khi kết nối thành công. Khi hàm này thực hiện thành công trong quá trình kết nối, ngõ ra ezUSB52 Handle thông báo tình trạng ghép nối thành công (OK) hoặc lỗi kết nối (Error), cung cấp một mã số gọi là thẻ File và ñược sử dụng ñể quản lý thiết bị trong
suốt quá trình giao tiếp thông qua cổng USB cho tới khi hàm ezUsb52_closẹvi ñược thực thị Nếu hàm ezUsb52_closẹvi thực hiện thành công, thẻ file ñã cấp trước ñó ñược giải phóng, và mối liên kết giữa thiết bị với PC ñược tách.
Hình 2.26: Biểu diễn hàm cho phép tải vi chương trình vào EZ.
ezUsb52_Open.vi ezUSB OPEN ezUSB52 Handle found Vendor ID (0x0547)
Stop if not found (TRUE) Product ID (0x2131) DeviceNr ezUsb52_DownloadIntelHex.vi ezUSB DIHex hUSB out status hUSB Filename Start CPU (TRUE)
69
Hình 2.26 biểu diễn hàm cho phép tải vi chương trình vào EZ, cụ thể hàm ezUsb52_DownLoadIntelHex.vi cho phép LabView tải vi chương trình vào vi mạch Ez. Lối vào là thẻ tập tin (số nguyên không dấu 4 bit), tên tập tin ñóng gói dạng chuỗi (hex file) và bắt ñầu thi hành lúc tác vụ khởi phát CPU có hiệu lực.
2.4.2.2. Các hàm ñiều khiển luồng dữ liệu
Điều khiển luồng dữ liệu truyền-nhận hai chiều giữa thiết bị và máy tính thông qua cổng USB ñược thực hiện nhờ các hàm ñọc và viết dữ liệụ Các hàm ñọc/viết này ñược chia làm hai thành phần và tùy từng tác vụ cụ thể ñể sử dụng.
• Viết, ñọc 1 byte: hình 2.27biểu diễn hàm dùng ñể