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。