核泄漏的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王京，李巨峰，段紅衛(wèi)

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100009）

核泄漏的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王京，李巨峰，段紅衛(wèi)

（環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100009）

為了保障核所處環(huán)境的安全性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，將控制模塊作為核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制與調(diào)度，對(duì)各模塊之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)。通過(guò)放大濾波模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理。利用采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理提供基礎(chǔ)。利用數(shù)據(jù)通信模塊完成控制板和上位PC機(jī)之間的通信，接收上位機(jī)的任務(wù)，同時(shí)將信號(hào)采集模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理，以及將部分命令發(fā)送至下位的電機(jī)板，實(shí)時(shí)接收電機(jī)板返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行處理。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出核泄漏信號(hào)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及系統(tǒng)部分程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的實(shí)用性和可靠性。

核泄漏；信號(hào)檢測(cè)；控制模塊；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

核泄漏又被稱作核熔毀，是種發(fā)生于核能反應(yīng)爐故障時(shí)，嚴(yán)重的后遺癥[1?2]。核泄漏所發(fā)出的核能輻射雖遠(yuǎn)比核子武器威力范圍小，但是同樣能造成一定程度的生物傷亡[3?5]。一般的情況核泄漏對(duì)人員的影響表現(xiàn)在核輻射，也叫做放射性物質(zhì)。放射性物質(zhì)可通過(guò)呼吸吸入，皮膚傷口及消化道吸收進(jìn)入體內(nèi)，引起內(nèi)輻射，Y輻射可穿透一定距離被機(jī)體吸收，使人受到外照射傷害[6?8]。因此，設(shè)計(jì)一種核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[9?10]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)核所處環(huán)境的安全性提供有效依據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的實(shí)用性和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

核泄漏將會(huì)引發(fā)很大的安全隱患，需設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一種核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由控制模塊、放大濾波模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和譜分段對(duì)消檢測(cè)模塊，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

控制模塊為核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制與調(diào)度，對(duì)各模塊之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)，該模塊詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)選用的FPGA型號(hào)為EP2C5Q208C8N。其中：EP2C代表該芯片屬于CycloneⅡ系列；5代表器件類型；Q208代表PQFP封裝，208引腳；C表示工作溫度等級(jí)為商業(yè)級(jí)；8代表器件的速度等級(jí)是8 ns。在本文系統(tǒng)中，時(shí)鐘速度最快的是AD7765，其MCLK的最大值可達(dá)40 MHz，而核心板上的晶振頻率為50 MHz，可以看出二者之間非常合適。CPLD主要用于邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采集模塊的控制，而且增加了FPGA外圍的I/O口，擴(kuò)展了外圍資源。

2.2 放大濾波模塊

放大濾波模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波。本文將PGA204芯片作為放大芯片，PGA204放大倍數(shù)可達(dá)1 000倍，但其針對(duì)核泄漏這種高精度檢測(cè)對(duì)象，仍未達(dá)到要求，因此，本系統(tǒng)將2片PGA204串聯(lián)以達(dá)到更高倍數(shù)的放大。PGA204不僅耗能低，而且有很高的精度。PGA204利用激光調(diào)整使芯片的失調(diào)電壓大大降低，供電電壓也低至4.5 V，完全適用于核泄漏信號(hào)的檢測(cè)。

2.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊直接影響了初始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理提供基礎(chǔ)，該模塊詳細(xì)硬件結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 放大濾波模塊硬件結(jié)構(gòu)

圖4 信號(hào)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)信號(hào)采集模塊采用Analog公司生產(chǎn)的AD7765對(duì)經(jīng)放大濾波處理后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。AD7765是一種高性能、24位精度的Sigma?Delta（Σ?Δ）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），完全適用于本文系統(tǒng)。

對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大濾波后，通過(guò)跟隨器減少放大器輸出電阻，從而加強(qiáng)后續(xù)電路的負(fù)載能力，最后和MAX1132芯片對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制模塊。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊一方面需實(shí)現(xiàn)控制板和上位PC機(jī)之間的通信，接收上位機(jī)的任務(wù)，同時(shí)將信號(hào)采集模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。另一方面需將部分命令發(fā)送至下位的電機(jī)板，同時(shí)實(shí)時(shí)接收電機(jī)板返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)通信模塊硬件結(jié)構(gòu)見圖5。

為了增強(qiáng)信號(hào)采集模塊的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸進(jìn)行同步控制。由于串口控制是利用TL16C550C的串實(shí)現(xiàn)的，所以采用2個(gè)TL16C550C芯片，分別用于和上位PC機(jī)及下位電機(jī)板的基本通信。

圖5 數(shù)據(jù)通信模塊硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于譜分段對(duì)消的核泄漏信號(hào)檢測(cè)算法

譜分段對(duì)消檢測(cè)算法是一種基于功率譜密度的信號(hào)檢測(cè)方法，該方法能夠屏蔽外界環(huán)境的干擾，還能夠解決信號(hào)淹沒在噪聲中的問(wèn)題。譜分段對(duì)消檢測(cè)算法的流程圖用圖6進(jìn)行描述。

圖6 總體流程圖

依據(jù)上述流程，采用譜分段對(duì)消檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)核泄漏信號(hào)檢測(cè)的詳細(xì)過(guò)程如下：

（1）接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)將采樣信號(hào)劃分成T幀，求出各幀信號(hào)的頻譜Xt(k)、各幀信號(hào)的功率譜密度St(k)、T幀功率譜密度的均值，獲取平均功率譜密度Savg(k)；

（2）依據(jù)平均功率譜密度Savg(k)，分別求出總功率譜均值Sm與段功率譜均值Sm′。對(duì)平均功率譜密度Savg(k)全部頻點(diǎn)進(jìn)行求和，然后計(jì)算其平均值，獲取總功率譜均值Sm；

將平均功率譜密度Savg(k)劃分為L(zhǎng)段，求出各段的平均值，獲取段功率譜均值Sm′；

（3）求出檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量r；

（4）求出門限γ；

（5）將步驟（3）獲取的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量r和步驟（4）獲取的門限值γ進(jìn)行比較，判斷有無(wú)核泄漏信號(hào)，如果r超過(guò)γ，則認(rèn)為有泄漏信號(hào)，否則，認(rèn)為無(wú)核泄漏信號(hào)。

3.2 代碼設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件，在Win?dows 2000環(huán)境下，通過(guò)Visual C++6.0來(lái)完成，完成系統(tǒng)配置文件的部分代碼如下：

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將基于置信度的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)比，從頻率估計(jì)性能和檢測(cè)精度兩方面進(jìn)行分析。

兩種系統(tǒng)的頻率估計(jì)性能如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)的頻率估計(jì)性能

由表1可以看出，采用本文系統(tǒng)對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行估計(jì)的誤差明顯低于基于置信度的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。說(shuō)明本文系統(tǒng)有很高的精度，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的實(shí)用性。分別采用本文系統(tǒng)和基于置信度的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)核泄漏進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)準(zhǔn)確率比較結(jié)果如圖7所示。

圖7 兩種系統(tǒng)準(zhǔn)確度比較

由圖7可以看出，采用本文系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度一直高于基于置信度的核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，而且檢測(cè)準(zhǔn)確度曲線相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明本文系統(tǒng)不僅檢測(cè)準(zhǔn)確度高而且系能穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，給出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，將控制模塊作為核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制與調(diào)度，對(duì)各模塊之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)。通過(guò)放大濾波模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理。利用采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理提供基礎(chǔ)。

利用數(shù)據(jù)通信模塊完成控制板和上位PC機(jī)之間的通信，接收上位機(jī)的任務(wù)，同時(shí)將信號(hào)采集模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理，以及將部分命令發(fā)送至下位的電機(jī)板，實(shí)時(shí)接收電機(jī)板返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行處理。軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)核泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出核泄漏信號(hào)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及系統(tǒng)部分程序代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的實(shí)用性和可靠性。

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Optimization design and implementation of nuclear leak signal detection system

WANG Jing，LI Jufeng，DUAN Hongwei
（Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100009，China）

For great error problems in current system storage and detection radius，a nuclear leak signal detection system was designed and implemented.The overall design block diagram of the system is offered in this paper.The control module is taken as the core of the nuclear leak signal detection system to uniformly control and schedule the whole system，and coordi?nate the communication among the various modules.The signal is amplified and filtered by amplification?filtering module，and acquired with acquisition module to provide the foundation for subsequent data processing.The data communication module is adopted to complete the communication between the control panel and upper PC，and receive the mission from the upper com?puter，simultaneously send the data collected by signal acquisition module to the upper computer for processing，and transmit part commands to the slave motor plate to receive the returned data and status from the motor plate in real?time for processing. In software design process，the nuclear leak signal detection system is analyzed in detail，and the realization process and part system program codes of the nuclear leak signal detection are provided.The experimental results show that the designed sys?tem has high practicability and reliability.

nuclear leak；signal detection；control module；system design

TN98?34；DF622

A

1004?373X（2015）24?0124?04

10.16652/j.issn.1004?373x.2015.24.036

王京（1981—），男，北京人，工程師，碩士研究生。研究方向?yàn)楹税踩珜徳u(píng)工作。

2015?06?25

國(guó)家自然科學(xué)基金（60584698）