Застосування (AN-1185) лічильника Гейгера і LabView інтерфейсу

1. Принцип роботи трубки Гейгера-Мюллера
2. Блок-схема системи
3. симуляція
4. Конфігурація мікросхеми GreenPAK
5. Обмін даними з LabView по UART
6. висновок

Наша взаимовыгодная связь https://banwar.org/

У даній статті ми коротко розглянемо ефекти від впливу радіації. Ми створимо лічильник Гейгера на основі схеми обратноходового перетворювача, запропонованого в « AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter », І за допомогою LabView створимо графічний інтерфейс для виводу результатів вимірювань. Крім того, розповімо, як за допомогою Silego GreenPAK ™ можна реалізувати аналогові і цифрові функції, необхідні для управління високовольтної трубкою Гейгера, підрахунку числа розрядів і обміну даними з персональним комп'ютером через LabView.

Принцип роботи трубки Гейгера-Мюллера

Трубка Гейгера-Мюллера (ГМ-трубка) - це пристрій, який дозволяє вимірювати рівень різних видів випромінювання, включаючи альфа, бета, х і гамма частки. ГМ-трубка складається з анода і катода, які поміщені в циліндричну трубку. Циліндр заповнений газом низького тиску, зазвичай близько 0,07-0,13 бар. Одна сторона трубки неметалічна і зазвичай виконана з тонкого шару слюдяною фольги.

Мал. 1. Конструкція трубки Гейгера-Мюллера

У схемі на рис. 1 присутні два електроди. Коли до анода і катода докладено висока напруга, всередині ГМ-трубки, наповненої благородним газом низького тиску (зазвичай аргоном), створюється сильне електричне поле. Якщо радіація відсутня, благородний газ є непроводящей середовищем. Однак коли радіаційна частка потрапляє в ГМ-трубку, газ іонізується, що викликає лавинний ефект. Це означає, що газ стає провідним, і струм може протікати через ГМ-трубку в напрямку схеми детектора. У наступному розділі ми проаналізуємо блок-схему системи, засновану на цьому фізичному принципі.

Блок-схема системи

На рис. 2 показані основні блоки пропонованої схеми лічильника Гейгера. Блок управління представлений мікросхемою Silego GreenPAK, яка реалізує всі логічні функції і виконує аналогову обробку зовнішніх сигналів. Для правильної роботи схеми необхідно використовувати джерело живлення 5 В. У нашому прикладі GreenPAK харчується від отладочной плати Silego, яка підключається до ПК за допомогою USB-кабелю. Ми використовували той же обратноходового перетворювач, який був розглянутий в документі « AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter ». Він складається з трансформатора, випрямного діода і декількох інших пасивних компонентів. Висока напруга від ГМ-трубки ділиться за допомогою резистивного дільника і подається на аналоговий компаратор, що входить до складу мікросхеми GreenPAK. Тут аналоговий сигнал обробляється і використовується для генерації сигналу з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) для обратноходового перетворювача. ШІМ-сигнал необхідний для досягнення необхідного високої напруги на виході перетворювача.

Мал. 2. Блок схема системи

Коли частка радіації потрапляє в ГМ-трубку, відбувається внутрішній розряд. Це призводить до тимчасового падіння напруги на виході обратноходового перетворювача. Це падіння напруги виявляється детектором, який генерує низьковольтний імпульс для кожного розряду, тобто для кожної частинки, що потрапляє на стінки ГМ-трубки. Низьковольтний імпульс подається на цифровий лічильник всередині мікросхеми GreenPAK, який підраховує кількість таких подій. Нарешті, свідчення цифрового лічильника відправляються в LabView з графічним призначеним для користувача інтерфейсом (GUI) за допомогою блоку Serial Peripheral Interface (SPI), вбудованого в мікросхему GreenPAK. Міст UART-USB використовується для відправки інформації лічильника з GreenPAK на ПК з LabView. Зовнішня кнопка використовується для скидання і ініціалізації лічильника подій.

симуляція

Перед практичною реалізацією ми моделювали схему, щоб забезпечити точну форму сигналів для всіх компонентів. Оскільки частини схеми працюють з високими напругами, переконайтеся, що пристрій працює як треба, щоб уникнути проблем з окремими компонентами або пристроєм в цілому.

У попередній статті (прим. « AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter ») Ми створили обратноходового схему для досягнення вихідної напруги не менше 450 В. Тепер ми будемо моделювати її взаємодія з ГМ-трубкою. Точка їх сполуки позначена як «HV» в центрі схеми на рис. 3. обратноходового схема виділена червоним квадратом. Для виявлення імпульсів використовували мікросхему GreenPAK. Щоб промоделювати ГМ-трубку і імпульс, що генерується часткою радіації, було вирішено використовувати простий перемикач (S1) з RDSON 1 кОм (опір у відкритому стані), який управляється генератором імпульсів V3. Генератор створює імпульс тривалістю 35 мс, щоб гарантовано дочекатися потрібної амплітуди напруги на виході обратноходового схеми. Як тільки значення напруги досягне потрібної величини, генерується імпульс 1 мкс, і перемикач закривається. Утворюється проводить шлях від HV до GND, і імпульс, проходячи через високочастотний фільтр C5-R7-R10, досягає бази транзистора Q1. Пара транзисторів Q1 і Q2, підключених за схемою Дарлінгтона, забезпечують струм, пропорційний їх hFE і току в базі Q1. Таким чином, напруга на колекторах Q1 і Q2 зменшується від 5 В до 0 В, формуючи рахунковий імпульс для GreenPAK.

Мал. 3. Моделювання використовуваної схеми

Як ви можете бачити на рис. 4, напруга на виході обратноходового перетворювача досягає 450 В, після чого він готовий для поляризації ГМ-трубки. Як тільки це відбувається, напруга на ГМ-трубці падає. Струм в базі транзистора збільшується, вихідний струм слід за базовим струмом, а вихідна напруга швидко зменшується.

Мал. 4. Високовольтний сигнал і імпульс розряду в ГМ-трубці (зліва). Струм бази транзистора Q1 і вихідний імпульс напруги (праворуч)

Конфігурація мікросхеми GreenPAK

У цьому розділі ми пояснимо, як всередині Silego GreenPAK реалізовані лічильник подій і UART-передавач. На рис. 5 показана загальна архітектура логічної частини схеми. Імпульс, що генерується схемою Гейгера, підключений до висновку Pin7. Сигнал, позначений EVENTtrig, управляє лічильником подій (CNT2) і D-тригером (DFF1). EVENTtrig також подається на блок генератора OSC, а від нього на CNT2 через лінію EXT CLK 0.

Мал. 5. Внутрішня схема логічної частини мікросхеми GreenPAK

Коли відбувається розряд, наростаючий фронт сигналу інкрементує лічильник подій і встановлює Q-вихід DFF1, який позначений міткою txSTART. Коли txSTART приймає високе значення HIGH, сигнал скидання CNT5 приймає низьке значення LOW через інвертор 2-L1. Це означає, що вихід CNT5 починає генерувати тактовий імпульс з періодом 104 мкс, який використовується для синхронізації передачі по UART зі швидкістю в 9600 бод / c.

Перед запуском CNT5 на виході лічильника встановлено високий стан HIGH. Це означає, що сигнал скидання nRES тригера DFF0 має низьке значення LOW і, отже, на виході DFF0 присутній високий стан HIGH. З цієї причини потрібно затримка (Pipe Delay0) між виходом DFF1 і тактовим входом DFF0. На рис. 6 показано, чому потрібно затримка.

Малюнок 6:

• Канал 1 (жовтий): txSTART
• Канал 2 (синій): сигнал скидання DFF0 (вихід UARTclk / CNT5)
• Канал 3 (рожевий): STARTdly

Мал. 6. Вихідний стартовий сигнал і стартовий сигнал з затримкою

Якщо ми підключаємо тактовий сигнал DFF0 безпосередньо до сигналу txSTART, то висновок DFF0 nRESET буде в низькому стані LOW, і DFF0 буде відключений, коли на його вхід CLK прийде фронт сигналу. При наявності затримки (рожева осциллограмма) сигнал запуску прийде пізніше, коли nRESET вже буде в високому стані HIGH, що дозволить використовувати DFF0. Тоді сигнал STARTdly встановить вихід DFF0 (nQ) в низький стан LOW.

Після 104 мкс CNT5 генерує імпульс на свій вихід. Передній фронт цього імпульсу скине DFF0, знову перевівши вихід nQ в високе стан HIGH. Як видно зі схеми, вихід DFF0 буде встановлювати DFF2. Це означає, що коли сигнал вибору чіпа SPI переходить в низький стан LOW, то SPI починає передавати значення лічильника CNT2 з періодом 104 мкс. Сигнал DATA / START / STOP визначає дані, що передаються UART, за допомогою вихідного мультиплексора. Коли останній біт відправляється, сигнал INT модуля SPI скидає DFF2 через інвертор 2-L0 (сигнал txSTOP). Сигнал DATA / START / STOP знову повертається в високе стан HIGH і повертає високий рівень HIGH на лінії START / STOP (стан STOP).

У той же час сигнал переривання SPI (позначений TXrestart) скидає CNT6 / DLY6, який в свою чергу, проходячи через 2-L2, дозволяє роботу DFF1. Це дозволяє здійснити нову передачу. Висновок PIN5 скидає лічильник подій, в той час як висновок PIN6 використовується для ручного перезапуску передачі по UART.

На рис. 7 показаний тактовий сигнал (блакитний), сигнал запуску (жовтий) і дані UART (рожевий). SPI передає дані старшим бітом вперед MSB. Для отримання формату LSB в LabView виконується зміна порядку бітового потоку.

Важливо відзначити, що під час передачі даних лічильник подій може підраховувати нові вхідні події і не блокує значення, яке було на початку циклу передачі. Як ви можете бачити, лічильник подій безпосередньо підключений до вхідного імпульсного сигналу через висновок PIN 7.

Мал. 7. Сигнали передачі по UART

Обмін даними з LabView по UART

Для зв'язку між GreenPAK і ноутбуком ми використовували міст CP210xUART-USB від Silicon Laboratories, Inc. Висновок TxUSB-моста підключений до висновку PIN8 мікросхеми GreenPAK. Висновки 9 і 10 GreenPAK закорочені разом, а землі мікросхем об'єднані.

Мал. 8. Підключення плат

Як тільки все обладнання підключено, ми можемо запустити LabView і відкрити для користувача інтерфейс. Після підключення пристроїв до USB необхідно вибрати правильний COM-порт. У нашому випадку це був COM3. При натисканні кнопки START програма буде чекати вхідного з'єднання. Світлодіоди відображають побітові показання лічильника, а елемент Geiger counter events відображає загальну кількість подій з початку передачі. Кнопка STOP блокує з'єднання і закриває програму.

Мал. 9. Зовнішній вигляд програми в LabView

Мал. 10. Графічний користувальницький інтерфейс, створений в LabView

При відкритті лицьовій панелі (front panel), ви можете побачити призначений для користувача інтерфейс з елементами управління LabView. Швидкість обміну по UART дорівнює 9600 бод / с. Розмір повідомлення становить 8 біт, плюс один старт і 1 стоповий біт. Не потрібно ніяких символів закінчення, бітів парності або бітів управління потоком. Всі біти мають значення за замовчуванням, щоб уникнути помилкової візуалізації після попереднього використання.

Показання лічильника Гейгера обнулені. Розмір буфера VISA становить один байт, який пристрій посилає під час обміну. Після встановлення з'єднання програма переходить в режим очікування входить передачі від GreenPAK. Строковий буфер перетворює дані в поодинокі біти і перевертає порядок їх слідування, оскільки GreenPAK SPI відправляє дані старшим бітом вперед MSB, а нам потрібно формат LSB. Після цього отримані дані перетворюються в цілочисельне значення і виводяться на екран. Коли натиснута кнопка зупинки, програма виходить з циклу очікування і з'єднання закривається.

висновок

У статті показано, як використовувати аналогові і цифрові блоки мікросхем Silego GreenPAK для реалізації стандартної зв'язку з UART. Були промоделювати і проаналізовані багато складних особливості даного пристрою. Також було запропоновано точний обратноходового перетворювач, що складається всього з декількох компонентів. Ця комбінація елементів дозволила нам створити лічильник Гейгера з інтерфейсом Lab-View, який вимірює радіацію в реальному часі.