基于核測信號的模擬量輸入卡件設(shè)計

王諾，胡立生

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，能源消耗日益增多，能源供應(yīng)日趨緊張，開發(fā)新能源已成為我國繼續(xù)保持又好又快發(fā)展勢頭的必然要求，核動力發(fā)電的優(yōu)勢正逐漸顯露出來。

反應(yīng)堆是核電站的關(guān)鍵，一旦出現(xiàn)故障，將會給人們的生活和生命財產(chǎn)帶來極大的威脅。核反應(yīng)堆是通過核裂變而產(chǎn)生熱量的，所以經(jīng)常借助于觀察與核裂變過程相聯(lián)系的“輻射”來測量核反應(yīng)堆的功率水平。反應(yīng)堆的功率應(yīng)該通過探測瞬發(fā)裂變的輻射來測量。反應(yīng)堆功率的測量技術(shù)就是建立在探測中子、γ射線,或兩者同時探測的基礎(chǔ)上的。

核輻射探測器的主要作用是把進入探測器靈敏區(qū)域的核輻射轉(zhuǎn)變成為信號處理設(shè)備能夠覺察出來的信號，如電信號、光信號、聲信號、熱信號等。為運行人員，調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和信號。在核工程和核技術(shù)應(yīng)用中用得最多的三類探測器是氣體探測器，半導(dǎo)體探測器，閃爍探測器等，無論是哪種探測器，其輸出信號均為電壓脈沖信號或電流信號[1-2]。

核輻射探測器將所測相關(guān)模擬信號送出后，需要卡件對其輸出信號進行甄別處理，把這些模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)理、信號倍增、A/D轉(zhuǎn)換后得到控制卡所能識別和處理的數(shù)字信號，這就要求所設(shè)計的模擬量輸入組件，必須能夠滿足安全儀控系統(tǒng)的要求，能夠?qū)⑦@些模擬量準確及時的轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入控制卡進行處理。

1 模擬量輸入卡件設(shè)計

本文介紹一個可實現(xiàn)這些功能的模擬量輸入量處理卡件（以下簡稱AI卡）。

在參考相關(guān)卡件[3]的基礎(chǔ)上，該卡件的具體技術(shù)要求如下：

[1] 模擬部分供電電壓為24V，數(shù)字部分供電電壓為5V，模擬部分與數(shù)字部分應(yīng)相互隔離；

[2] 輸入信號是電壓和/或電流的絕對信號或差分信號，信號范圍有0－10V、0－500mV、0－50mV、0－20mA和/或±10V、±500mV、±50mV、±20mA；

[3] 輸入信號共有8路。

[5] 將從核輻射探測器送來的模擬信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號，并根據(jù)控制卡要求的地址將存儲數(shù)據(jù)送出。

針對這些要求，我們的設(shè)計方案如下：

1.1 AI卡硬件設(shè)計介紹

整個AI卡硬件設(shè)計分為模擬部分和數(shù)字部分，為了減少模擬信號和數(shù)字信號之間的干擾，數(shù)字部分和模擬部分要利用光隔相互隔離，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 AI卡硬件結(jié)構(gòu)圖

1) 模擬部分

模擬部分完成信號調(diào)理，信號放大，通道選擇和模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作。

模擬部分所用芯片均采用5V供電。而整個核電保護儀控系統(tǒng)是外部24V供電，故要有電源轉(zhuǎn)換芯片，將24V電壓降為5V。我們選擇SUS32405電源轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器具有起動時間短，有過流保護裝置，低紋波，尺寸較小等特點，適合于本卡件的電路功能和電路布局。

信號調(diào)理的工作通過精密電阻來完成。因為輸入信號可能有不同量程，既有可能是電壓信號，也有可能是電流信號，且電壓信號又有不同量程，若0～10V電壓不做調(diào)理直接進入后續(xù)電路，則要超出后續(xù)電路測量范圍，故要先把 0～10V電壓通過電阻分壓降到 0～50mV；同時由于后續(xù)電路芯片均只能識別電壓信號，所以要將電流信號經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。

信號放大是因為能夠精確轉(zhuǎn)換mV級信號且價格適宜的A/D轉(zhuǎn)換芯片很少，故0～50mV，0～500mV信號在進入A/D之前，都將其放大到0～5V范圍，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換芯片的最佳工作量程。故AI卡采用兩級放大，前置放大器由INA2128構(gòu)成，后置放大器由PGA103構(gòu)成。INA2128具有可有效放大小信號（mV級），低失調(diào)電壓，低漂移，低輸入漂流，高共模抑制比，寬通帶，輸入過壓保護，寬電源電壓范圍，低靜態(tài)電流等特點，其放大倍數(shù)可調(diào)，可通過其外接電阻來改變放大倍數(shù)，可用一個外部電阻方便地從1到10000設(shè)定增益。而PGA103是可編程放大器，可以有1，10，100三種放大倍數(shù)，可以通過軟件設(shè)定，將其放大倍數(shù)隨時切換。兩級放大電路的使用，可以保證信號進入A/D時處于A/D轉(zhuǎn)換芯片的最佳轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)。

通道選擇采用CD74HCT4051，該器件是八選一通道選擇器，可根據(jù)編程設(shè)定來選擇特定通道，然后將其數(shù)據(jù)送入后續(xù)電路。本卡件在采樣時對其通道循環(huán)賦值，將各通道采樣數(shù)據(jù)順序送到A/D轉(zhuǎn)換芯片中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ICL7109，ICL7109是雙重積分型A/D轉(zhuǎn)換器。因為所設(shè)計系統(tǒng)將來目標應(yīng)用于核電保護系統(tǒng)，故對測試信號的精度要求很高，所以必須選用高精度A/D，而積分型A/D與逐次逼近型A/D相比有精度優(yōu)勢，且ICL7109具有高精度，低噪聲，低功耗，內(nèi)藏基準電壓源，價格便宜等特點，因此廣泛應(yīng)用于高精度測量場合。ICL7109采用5V供電，輸出數(shù)字信號14位，其中數(shù)據(jù)位為12位，另有一位符號位和一位溢出標志位，可有效轉(zhuǎn)換-5V～+5V的電壓信號。

2) 數(shù)字部分

AI卡的數(shù)字部分圍繞FPGA展開，F(xiàn)PGA作為模擬量輸入卡件的核心單元，負責控制數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲控制和與控制卡的數(shù)據(jù)通信。

FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的 I／O單元陣列構(gòu)成，一個FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個標準數(shù)字集成電路所實現(xiàn)的系統(tǒng)。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I／O單元都可以由用戶編程，可以實現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。使用FPGA還可以實現(xiàn)動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)（可以在系統(tǒng)運行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時間相關(guān)的任務(wù)）及硬件軟化、軟件硬化等功能[4]。

與單片機相比，F(xiàn)PGA運行速度快，管腳多,容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，F(xiàn)PGA內(nèi)部程序并行運行,有處理更復(fù)雜功能的能力，F(xiàn)PGA有大量軟核,可以方便進行二次開發(fā)。

綜合以上考慮，AI卡選用FPGA構(gòu)建控制器。具體選用Altera現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA器件Cyclone II系列的EP2C8Q208C芯片，該芯片可提供165,888 RAM bits的內(nèi)存空間 ,具有138個用戶I/O端口，其功能強大，可滿足設(shè)計要求。

1.2 AI卡軟件設(shè)計介紹

AI卡的軟件設(shè)計是指 FPGA的內(nèi)部程序設(shè)計。FPGA用VHDL進行編程，VHDL是一種用于電路設(shè)計的硬件語言。該語言功能強大，設(shè)計靈活，支持廣泛，易于修改，其強大的系統(tǒng)硬件描述能力使其成為電子工程領(lǐng)域中的通用硬件描述語言[5]。

1) 軟件設(shè)計思路

系統(tǒng)上電后，在FPGA接收到控制卡的發(fā)出的復(fù)位信號后，F(xiàn)PGA開始工作，首先讀取系統(tǒng)開關(guān)設(shè)定值，判斷信號的接入形式，信號類型及量程范圍，根據(jù)設(shè)定信息，對各控制芯片發(fā)送相應(yīng)控制信號，同時讀取 A/D芯片輸出數(shù)據(jù)信號，并將數(shù)據(jù)按照對應(yīng)的通道存儲在對應(yīng)的存儲空間，最后等待控制卡的數(shù)據(jù)請求。

當控制卡發(fā)送數(shù)據(jù)請求后，把寄存器中的存儲值，即反應(yīng)當前系統(tǒng)的各開關(guān)設(shè)定值送到總線上，再根據(jù)地址線上的地址請求，將對應(yīng)地址空間上的存儲數(shù)據(jù)送到總線上。供控制卡讀取，完成數(shù)據(jù)傳遞工作。

2) 仿真驗證

仿真信號設(shè)置如下：clk為時鐘信號，它連接20M晶振，提供周期為50nS的時鐘信號；PESP和BASP為控制卡發(fā)出的對AI卡件的控制信號，當PESP為高，BASP為低時，表示選中該卡件；K32_D是控制卡向FPGA讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線，為8位；K32_ADD是控制卡向FPGA讀取數(shù)據(jù)的地址總線，為12位，其中高8位用于卡件尋址，即控制卡通過前8位來選中特定卡件，后四位用于片內(nèi)尋址；rst為復(fù)位信號，低電平有效，當其為低電平時，控制卡不向總線輸出數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為高阻態(tài)；MEMR為控制卡讀信號，為高時表示控制卡要從卡件讀數(shù)據(jù)，如為低，則K32_D呈現(xiàn)高阻態(tài)；CD4051是FPGA發(fā)送給通道選擇器的通道選中信號，由000-111分別選中八個不同通道；DI是A/D轉(zhuǎn)換器連到FPGA的數(shù)據(jù)線，因為A/D轉(zhuǎn)換器為12位，故DI也為12位。

將軟件設(shè)計結(jié)果進行邏輯功能仿真驗證，如圖2所示。

圖2 FPGA功能仿真圖

該仿真是基于ALTERA的QUARTUS II軟件開發(fā)平臺進行的。在圖中數(shù)據(jù)和地址均設(shè)置為十六進制，控制信號為二進制，ZZ表示高阻狀態(tài)。我們設(shè)8個通道在第一次循環(huán)中依次采樣到的數(shù)據(jù)是 0111H,0222H,0333H,0444H,0555H,0666H,0777H,0888H,然后在下一循環(huán)中采到的數(shù)據(jù)是0999H，0AAAH……；設(shè)該卡件在整個核電安全儀控系統(tǒng)中的地址占用空間為080H-08FH，依次存儲8個通道的數(shù)據(jù)，每個通道占用兩個內(nèi)存字節(jié)，其中高4位數(shù)據(jù)存在高字節(jié)，低八位數(shù)據(jù)存在低字節(jié)；

通過仿真結(jié)果我們看到在BASP，PESP，RST，MEMR均滿足要求時，且K32_ADD選中本卡件時，K32_D能夠準確向控制卡傳送數(shù)據(jù)，且當A/D采樣值改變時，存儲在FPGA空間內(nèi)的值也相應(yīng)改變，所以向控制卡傳送的數(shù)據(jù)也做相應(yīng)更新，保證了數(shù)據(jù)的實時準確性。證明了程序的正確性和實用性。

2 結(jié)語

本文提出的設(shè)計思想已經(jīng)在實際中得以實現(xiàn)，樣機電路已經(jīng)完成調(diào)試，其精度、延遲和脈寬調(diào)節(jié)范圍均可以達到核物理實驗的要求，并且在高溫或低溫環(huán)境下，性能仍然穩(wěn)定，證明該系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中仍具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，滿足設(shè)計要求。

[1] 王汝贍,卓韻裳.核輻射測量與防護[M] .北京:原子能出版社,1990.

[2] 錢承耀.核反應(yīng)堆儀表[M] .西安:西安交通大學出版社,1999.

[3] 魯晶,胡立生,徐濟鋆.核電數(shù)字化保護系統(tǒng)模擬量輸入卡件的設(shè)計[J] . 微型電腦應(yīng)用，2009，25(7）.

[4] 鄭燕，赫建國，黨劍華. 基于VHDL語言與Quartus II軟件的可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)[M] .北京:國防工業(yè)出版社,2007.