基於S3C2440的能量色散X射線螢光光譜儀

X射線螢光分析是一種快速、準確而又經濟的多元素分析方法[1]。目前，X射線螢光分析技術已被廣泛應用於地質、冶金、化工、材料、石油、醫療等領域，尤其是能量色散X射線螢光EDXRF（Energy Dispersive X-Ray Fluorescence)光譜儀，由於具有體積小、價格低廉、自動化程度高等優點，已成為普遍多元素同時分析的有力手段。

EDXRF光譜儀利用X射線螢光對於不同元素具有不同能量的特點，依靠探測器實現對測試樣品中元素的定性、定量分析。隨著電子學技術、計算機科學技術以及半導體材料的發展，特別是嵌入式技術的應用，為X射線螢光光譜儀智能化、小型化及高性能提供了必要的硬體基礎。本文提出了基於S3C2440嵌入式處理器的可攜式EDXRF光譜儀的設計方案，用於分析檢測合金、礦石中的多種元素。

1 方案設計

可攜式EDXRF光譜儀採用X射線管作為激發源，Si-PIN探測器作為X射線探測器。X射線打到測試樣品後，X射線螢光光量子通過探測器轉變為一定形狀和數量的電脈衝。該電脈衝經前置放大處理後，變為可測電脈衝信號。本方案採用S3C2440高性能的嵌入式處理器，外擴高速A/D轉換晶片AD7676，由S3C2440硬體定時和AD7676組成數字脈衝分析器，將可測電脈衝信號變成數位訊號，實現EDXRF光譜的採集。

S3C2440以ARM920T為內核，支持Windows CE作業系統。本系統基於Windows CE系統上的AD7676驅動程序，在應用程式層控制AD7676的工作，實現了EDXRF光譜的採集、存儲、分析。其整體方案如圖1所示。

2 硬體設計

2.1 AD7676

AD7676是美國模擬器件公司生產的16位高速（500 kS/s）SAR ADC[2]，內置16位高速採樣ADC、差分輸入結構、內部轉換時鐘、糾錯電路以及串行和並行系統接口。

AD7676的採樣數據讀取有兩種方式：轉換完成後讀取和採樣中讀取。圖2所示為採樣中讀取方式時序，當AD7676轉換結束後，忙信號變為低電平，保持片選信號為低，使得轉換及讀信號由高變低，此時數據總線上出現上次轉換後的數據。採樣中讀取方式時，在轉換完成後，可同時讀取數據及啟動下一次採樣，消耗時間少，適用於本系統。

2.2 數字脈衝分析器

數字脈衝分析器由信號處理電路(信號調理、放大)、高速AD轉換器（AD7676）及S3C2440處理器組成，圖3所示為系統電路框圖。

X射線螢光光量子通過SI-PIN探測器轉變為電脈衝，經調理、前置放大處理後變為可測電脈衝信號傳給AD7676採樣處理。為了保證採樣的正確性，採用基準電壓晶片為AD7676提供基準電壓，同時為了防止電源串入的幹擾，採用專用的DC－DC隔離電源使得模擬部分電源與數字處理部分電源隔離。S3C2440處理器與AD7676之間的數據總線採用數據緩衝器SN74LVC16245驅動。

3 基於Windows CE的AD7676驅動程序開發

由圖3可知，AD7676被直接映射到S3C2440系統內存，所以其驅動程序採用單片式流接口設備驅動模型。同時當AD7676轉換結束後，採用中斷方式通知S3C2440讀取轉換結果，並啟動下一次轉換。AD7676驅動程序由內核部分和流接口函數部分組成。內核部分完成中斷的處理，包括中斷的使能、禁止、喚醒中斷服務線程等工作；流接口函數完成AD7676的打開、關閉、初始化以及數據的讀、寫操作。

3.1 內核部分

系統硬體電路採用中斷方式對AD7676進行數據的讀取，以提高S3C2440的使用效率。Windows CE對中斷的響應過程如圖4所示[3]。

參照時序圖，修改Windows CE中與中斷相關的內核文件，完成物理中斷到邏輯中斷的映射。主要工作如下：(1)修改oalintr.h文件，完成中斷向量的註冊；(2)修改cfw.c文件，完成中斷允許、中斷禁止和中斷完成操作。經過修改Windows CE內核文件，完成物理中斷Eint0到邏輯中斷號SYSINTR_ADC的映射，就可以利用Windows CE提供的API函數完成物理中斷Eint0的操作。

3.2 流接口函數

Windows CE流接口驅動程序是動態連結庫，由設備管理器統一加載、管理和卸載。在Windows CE中，流接口函數一共有10個，所開發的驅動程序採用了其中的7個接口函數：AD7676_Deinit、AD7676_Init、AD7676_Open、AD7676_IoControl、AD7676 _Read、AD7676 _Write、AD7676_Close。

流接口函數需要完成兩個主要方面的工作：AD7676數據結構的建立、流接口函數代碼的實現。其中AD7676初始化、中斷服務程序最為重要。

(1)PADC_CONTEXT AD7676_Init(LPCTSTR pContext，LPCVOID lpvBusContext)
AD7676_Init接口函數在驅動程序加載時，由設備管理器調用，主要完成硬體初始化，如映射設備物理內存、配置相關寄存器、創建中斷事件、中斷服務線程等工作。

AD7676_Init接口函數按照圖5所示調用順序完成驅動的初始化工作。調用成功後，將返回AD7676數據結構的首地址[4]。

(2)中斷服務線程AD7676_ISR

AD7676_ISR中斷服務線程是中斷處理的核心部分，負責將緩衝區中的數據讀至系統內存[3]。

DWORD AD7676_ISR(PVOID pContext){
PHW_INDEP_INFO pHead=(PHW_INDEP_INFO)
pContext；
ULONG WaitReturn；
While(!Done()){
WaitReturn=WaitForSingleObject((PHW_INDEP_
INFO)pContext，INFINITE)；
if(WaitReturn==WAIT_OBJECT_0){
……//讀取AD7676轉換後的數據
InterruptDone(pHead->dwIntID)；
}
}
return 0；
}

4 定性分析應用實例

利用此方案設計的可攜式EDXRF光譜儀對某被測樣品進行了定性分析。圖6所示為該被測樣品經過光滑、扣背景後的譜線，圖中標出了Ni的Kα線與Kβ線、Au的Lα線與Lβ線。

表1為對圖6譜線經尋峰、能量刻度後，計算獲得的被測樣品中元素已知能量值與測量值的對比。

從表1元素已知能量值與測量值之間的相對誤差可以看出，使用此方案獲得的譜線經過光滑、扣背景、尋峰、能量刻度後，完全能達到定性分析的要求。