基于FPGA的數(shù)字化棒控技術(shù)研究

蔡晨

【摘 要】本文介紹了將FPGA（Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程邏輯陣列）技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)的概況。利用FPGA豐富的邏輯資源，編程的靈活性等特點來實現(xiàn)反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)的復(fù)雜邏輯電路，電路結(jié)構(gòu)簡單明了，將大量復(fù)雜的邏輯電路集成到一塊FPGA芯片中，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，解決了原有模擬電路的很多固有缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)字化與小型化。

【關(guān)鍵詞】FPGA；DDS；棒控系統(tǒng)

Research on Reactor Rod Control Indicating System Based on FPGA

CAI Chen

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】A application of FPGA（Field Programmable Gate Array）in reactor rod control a indicating system is presented.To take advantage of plentiful logic elements and flexible programmable characteristic of FPGA， the complex logic circuits in reactor rod control and rod position indicating system are integrated in one FPGA chip.The application of FPGA eliminates the intrinsic defects of traditional analog integrated circuit and improves the reliability and stability of system.With simple circuit structure， the system has high anti-noise performance and characteristic of miniaturization.

【Key words】FPGA； DDS； Reactor rod control and Rod Position Indicating System

0 前言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)數(shù)字化將是必然的趨勢。反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)將充分發(fā)揮數(shù)字化設(shè)備的優(yōu)勢，在設(shè)備研制過程中通過功能集成達到設(shè)備小型化，利用數(shù)字化技術(shù)提高設(shè)備的整體性能。

FPGA（Field Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程邏輯陣列）是一種基于查找表結(jié)構(gòu)的可編程邏輯器件，其配置靈活、功能強大、修改方便、可靠性高等優(yōu)點成為數(shù)字信號處理的理想選擇。在各種高可靠性需求領(lǐng)域都已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用，如NASA（美國航空航天局）的火星偵察衛(wèi)星（MRO）、火星探測登陸車（Mars Exploration Rover）勇氣號和機遇號等超過300個太空計劃中都使用了很多的FPGA芯片?？梢允褂肍PGA的可編程邏輯資源實現(xiàn)復(fù)雜的算法。從可靠性來說，CPU本身的結(jié)構(gòu)特點與軟件指令的工作方式?jīng)Q定了任何CPU都不可能獲得圓滿的容錯保障，而FPGA首先是純硬件電路構(gòu)成，所以用FPGA實現(xiàn)控制邏輯能在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA支持在線編程，可以很方便的修改設(shè)計，具有很好的靈活性。新一代的FPGA甚至集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP），在一片F(xiàn)PGA上進行軟硬件協(xié)同設(shè)計，同時FPGA大量的可配置I/O引腳和內(nèi)部集成的大量雙端口RAM、FIFO和IP核，使它完全可以代替分立式的單片機和雙端口RAM，從而進一步解決分立式器件可靠性和電磁兼容性等方面的問題。

本文利用FPGA技術(shù)對棒控系統(tǒng)進行研究。采用FPGA的數(shù)字化棒控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的采用分立式器件和模擬技術(shù)的棒控系統(tǒng)相比，測量精度更高，調(diào)試方便，易于修改，電路結(jié)構(gòu)簡單明了，可擴展性好，設(shè)備體積將減小，且信息傳輸方便。

1 總體技術(shù)方案

1.1 設(shè)備功能

控制棒驅(qū)動系統(tǒng)（簡稱棒控系統(tǒng)）的主要功能是處理功率調(diào)節(jié)裝置的功率調(diào)節(jié)信號，處理保護裝置的緊急停堆信號，處理操作臺的控制信號，根據(jù)功率調(diào)節(jié)裝置和保護裝置的要求驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu)。棒控系統(tǒng)是反應(yīng)堆儀表裝置中很重要的設(shè)備，必須有很高的可靠性，對邏輯電路的抗干擾能力，長時間穩(wěn)定運行等能力要求非常嚴(yán)格，如果棒控系統(tǒng)不能正確處理控制指令或者由于自身原因誤發(fā)信號都將嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的正常運行，選用FPGA來實現(xiàn)棒控系統(tǒng)的邏輯可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 技術(shù)方案

功率調(diào)節(jié)裝置傳送的信號包含有一些模擬信號，這些模擬信號不能直接被棒控系統(tǒng)邏輯電路使用，需要外接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進行處理，保護裝置的緊急停堆信號也需要進行電平轉(zhuǎn)換。所有轉(zhuǎn)換后的控制信號再經(jīng)過棒控系統(tǒng)的邏輯電路處理，最后由棒控系統(tǒng)的邏輯電路產(chǎn)生驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu)的低頻信號，低頻信號經(jīng)過大功率模塊放大成為大電流信號，從而驅(qū)動控制棒驅(qū)動機構(gòu)。

棒控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 棒控系統(tǒng)框圖

整個棒控系統(tǒng)分為七大模塊，其中高速A/D采樣、輸入信號隔離、輸出隔離驅(qū)動放大、驅(qū)動大功率模塊電路需要在FPGA外部實現(xiàn)，數(shù)據(jù)前端處理、控制信號處理與DDS系統(tǒng)、時鐘管理等模塊放在FPGA內(nèi)實現(xiàn)。

基于FPGA的反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，DDS核心模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的功能是處理模擬信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的功能是對數(shù)據(jù)進行調(diào)整以及簡單邏輯處理；DDS核心模塊的功能是根據(jù)系統(tǒng)需要發(fā)出所需要的低頻信號。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

1.3.1 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)是基于FPGA的棒控系統(tǒng)，但是FPGA本身不具有處理模擬信號的能力，所以需要外接A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在FPGA內(nèi)部使用一個狀態(tài)機實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器的控制。FPGA通過內(nèi)部PLL提供給A/D轉(zhuǎn)換器工作時鐘，并且將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部FIFO中。

從功率調(diào)節(jié)裝置輸送過來的信號、保護裝置傳送過來的信號、控制臺傳送過來的信號經(jīng)過硬件處理以后，還需要在FPGA內(nèi)部經(jīng)過一系列邏輯處理轉(zhuǎn)換才能形成控制信號。如A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)需要進行線性限幅調(diào)整，調(diào)整后的數(shù)據(jù)再提供給后面的模塊使用。

為了提高系統(tǒng)的可靠性還對某些關(guān)鍵信號進行數(shù)字濾波處理。由于該系統(tǒng)工作在惡劣的電磁環(huán)境中，開關(guān)的抖動、電磁干擾等原因都可能在控制信號中疊加上一些噪聲信號；以往的經(jīng)驗是在控制信號中有高頻噪聲的引入，所以對關(guān)鍵控制信號采取數(shù)字低通濾波等措施是很重要的。由于在芯片內(nèi)采用濾波，這樣濾波后的信號在芯片內(nèi)傳輸避免了二次污染。

1.3.2 DDS技術(shù)

基于FPGA的棒控系統(tǒng)核心依靠DDS（直接數(shù)字頻率合成）技術(shù)，采用DDS原理的優(yōu)點在于輸出信號頻率與頻率控制字的線性關(guān)系較好，且受溫度影響很小，同步性能好。市面上的專用DDS芯片工作頻率都很高，由于棒控系統(tǒng)輸出的頻率要求比較低，不適合選用專用的DDS芯片來實現(xiàn)，而且除了DDS以外還需要很多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和控制電路，所以本系統(tǒng)選用FPGA來實現(xiàn)。DDS原理如圖2所示。

圖2 DDS原理

N位頻率控制字接在M位累加器的一個輸入端，這里N

1.3.3 信息傳輸技術(shù)

隨著計算機及電子技術(shù)的發(fā)展，各種系統(tǒng)之間和系統(tǒng)內(nèi)部進行通訊的數(shù)據(jù)越來越多，采用硬連線的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已無法完全滿足其應(yīng)用需求，因此，各種總線傳輸技術(shù)應(yīng)運而生。而其中的CAN總線作為一種成熟、高可靠性、高速的總線技術(shù)在各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

CAN（Controller Area Network）總線，即控制器局域網(wǎng)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主機方式的串行通訊總線，具有自動優(yōu)先度仲裁、自動錯誤識別、抗干擾能力強等特性，可以提供可靠高速的數(shù)據(jù)傳輸，其最高傳輸速率可達1Mbps。作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中，如汽車、制造業(yè)、航空工業(yè)等。

傳統(tǒng)的CAN總線新產(chǎn)品實現(xiàn)通常采用兩種方案：第一種方案為單片機+獨立的CAN控制器+獨立的CAN收發(fā)器；第二種方案為內(nèi)置CAN控制器的單片機+獨立的CAN收發(fā)器。由于本系統(tǒng)以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)平臺，因此可采用類似的方案：FPGA+獨立的CAN控制器+獨立的CAN收發(fā)器。其中CAN控制器采用SJA1000，CAN收發(fā)器采用TJA1050。

為提供良好的可擴展性，本系統(tǒng)中設(shè)計了四路CAN，可實現(xiàn)冗余的CAN網(wǎng)關(guān)的功能，如圖3所示。

2 試驗驗證

將基于FPGA的控制棒棒控技術(shù)下載到目標(biāo)電路板進行調(diào)試，同時模擬各種情況下棒控系統(tǒng)的輸入狀態(tài)，測試得到的輸出結(jié)果的功能均滿足設(shè)計要求。對性能的測試主要是系統(tǒng)輸出頻率對輸入模擬電壓的響應(yīng)精度，部分試驗測試數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比較，通過數(shù)據(jù)可以看出測試值與理論值誤差很微小，在設(shè)計誤差范圍內(nèi)，滿足了設(shè)計要求。該控制棒棒控系統(tǒng)經(jīng)過累計100小時長時間運行考驗，在運行過程中沒有出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，通過各種嚴(yán)格測試保障了棒控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行。

為了測試同組棒提棒的一致性，我們使用外部行程計數(shù)器對相同的兩個系統(tǒng)進行行程計數(shù)。對兩個系統(tǒng)施加相同的運行參數(shù)，在行程計數(shù)器計數(shù)到5000mm時兩個系統(tǒng)的計數(shù)能保證完全一致，沒有任何的偏差。改變運行參數(shù)，兩個系統(tǒng)的計數(shù)均能保證完全一致。通過以上測試，可以證明同組棒提棒的一致性是滿足設(shè)計要求的，大大改善了原有棒控系統(tǒng)提棒不一致的情況。

為了驗證基于FPGA的棒控系統(tǒng)與驅(qū)動機構(gòu)的匹配性，我們進行了目標(biāo)電路板與驅(qū)動機構(gòu)的配合試驗。試驗結(jié)果表明，在各種運行頻率下，驅(qū)動機構(gòu)均運行平穩(wěn)且驅(qū)動電流滿足使用要求。

3 結(jié)束語

本文介紹了將FPGA技術(shù)應(yīng)用于反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)的概況。利用FPGA豐富的邏輯資源，編程的靈活性等特點來實現(xiàn)反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)的復(fù)雜邏輯電路，電路結(jié)構(gòu)簡單明了，將大量復(fù)雜的邏輯電路集成到一塊FPGA芯片中，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，解決了原有模擬電路的很多固有缺陷，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，實現(xiàn)了設(shè)備小型化。FPGA技術(shù)在反應(yīng)堆棒控系統(tǒng)的成功應(yīng)用將對反應(yīng)堆儀控系統(tǒng)數(shù)字化進程起到了重要的推動作用。

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[責(zé)任編輯：湯靜]