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手持式自然伽马能谱探测仪的研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外发展状况

1.2.1 国外发展状况

1.2.2 国内发展状况

1.3 论文研究内容

第二章 手持式自然伽马探测仪原理简介

2.1 伽马射线的产生

2.2 伽马射线与物质的相互作用

2.3 伽马射线的探测

2.4 伽马射线能谱产生原理

2.5 地面伽马能谱测量的放射性分析理论基础

第三章 手持式自然伽马能谱探测仪的总体设计方案

3.1 系统的总体方案

3.2 系统构成

3.2.1 碲锌镉探测器

3.2.2 能谱数据的测量与处理

3.2.3 能谱数据的显示与保存

第四章 FPGA技术与嵌入式系统

4.1 FPGA背景

4.1.1 FPGA工作原理

4.2 嵌入式系统简介

4.2.1 嵌入式系统定义

4.2.2 嵌入式系统的特点

4.3 嵌入式操作系统简介

4.3.1 嵌入式操作系统概述

4.3.2 嵌入式操作系统的类型

4.3.3 嵌入式Linux系统开发要点

第五章 手持式自然伽马能谱探测仪硬件实现

5.1 能谱数据测量的硬件构建

5.1.1 碲锌镉探测器的工作原理

5.1.2 简介碲锌镉探测器的性能

5.1.3 碲锌镉探测器前置放大电路

5.1.4 碲锌镉探测器的后级电路

5.2 能谱数据采集和处理的硬件构建

5.2.1 前级放大电路的实现

5.2.2 门槛和峰位信号的实现

5.2.3 AD转换的实现

5.3 能谱数据采集和处理的硬件构建

5.3.1 FPGA的选型

5.3.2 FPGA配置芯片的选型

5.4 能谱数据显示和保存的硬件构建

5.4.1 S3C2440A微处理器的简介

5.4.2 S3C2440A SDRAM接口电路设计

5.4.2 S3C2440A Flash接口电路设计

5.4.3 LCD(触摸屏)接口电路设计

5.4.4 串行接口

5.4.5 JTAG接口电路设计

5.4.6 时钟电路设计

5.4.7 复位电路设计

5.4.8 SD电路设计

5.5 电源系统的硬件构建

5.5.1 正负12V供电的产生

5.5.2 负-5V供电的产生

5.5.3 3.3V和1.5V供电的产生

5.5.4 锂电池供电电路

5.5.5 实时时钟备用电池供电电路

第六章 手持式自然伽马能谱探测仪软件平台搭建

6.1 嵌入式Linux简介

6.2 Linux与ARM处理器

6.3 嵌入式Linux开发环境

6.4 交叉编译环境的建立

6.5 QT图形界面开发环境搭建

6.6 Linux系统引导程序Uboot的移植

6.6.1 Bootloader介绍

6.6.2 Bootloader启动流程

6.6.3 Uboot的移植

6.7 Linux系统内核的移植

6.7.1 Linux内核介绍

6.7.2 Linux内核移植

6.8 Linux文件系统的制作

6.8.1 根文件系统介绍

6.8.2 根文件系统的制作

6.9 Linux设备驱动的移植

6.9.1 LCD驱动的实现和移植

6.9.2 触摸屏驱动实现和移植

第七章 能谱数据采集和处理的软件实现

7.1 能谱数据采集和处理的FPGA的程序开发

7.1.1 AD控制模块

7.1.2 谱数据产生和处理模块

7.1.3 串口通信模块

7.2 能谱数据传输和显示的ARM程序开发

7.2.1 串口通信模块

7.2.2 读取串口通信的线程操作

7.2.3 绘图模块

第八章 系统测试结果

8.1 硬件电路的测试

8.1.1 碲锌镉探测器输出信号测试

8.1.2 前级放大电路信号测试

8.1.3 微分、门槛、峰位输出信号测试

8.2 软件程序的测试

8.2.1 模数转换程序的测试

8.2.2 成谱程序的测试

8.2.3 谱线绘制程序和数据保存程序的测试

8.3 整体系统的测试

第九章 研究总结与展望

9.1 研究总结

9.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

伽马能谱测量是一种重要的核地球物理方法,是解决地球科学、环境科学等有关问题的主要手段之一。根据所测的伽马射线能谱,可获得伽马辐射总量,铀、钍、钾等元素含量以及其它有关元素及岩性信息,根据这些信息,我们不仅可以进行矿勘探,而且还可以将其应用于地质填图,油气勘测,寻找各种金属和非金属矿产等。为了更准确地获得伽马能谱测量与分析的结果并能适用于野外现场测量,研究能方便地测量和处理能谱数据的手持式自然伽马能谱探测仪永远是一个十分重要的课题,手持式自然伽马能谱探测仪的研究是国内外很热门的一个领域,它广泛服务于地质工业、医疗卫生、环境放射性监测等。 本文针对传统测量仪器采集速率低、体积庞大、实时性不足的缺点,首先,对比分析了伽马能谱测量的国内外发展差距,在此基础上提出了手持式自然伽马能谱探测仪的总体设计方案;其次,详细介绍以FPGA为核心的测量控制单元的设计和以ARM微控制器为核心的显示单元的设计,给出了电路硬件设计;最后,针对系统软件分析了伽马能谱测量显示的各软件模块的详细设计。

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