基于嵌入式計(jì)算機(jī)的核測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

崔 璨,鄧 圣,代航陽,付國(guó)恩

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041)

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基于嵌入式計(jì)算機(jī)的核測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

崔 璨,鄧 圣,代航陽,付國(guó)恩

(中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041)

嵌入式系統(tǒng)以功能專一、集成度高、可靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在核測(cè)量領(lǐng)域方面有著巨大的應(yīng)用前景；設(shè)計(jì)基于嵌入式計(jì)算機(jī)PCM-3343核測(cè)量系統(tǒng)具有模擬信號(hào)采集、脈沖信號(hào)采集、開關(guān)量信號(hào)采集、模擬輸出、開關(guān)量信號(hào)輸出等功能，以觸摸屏、液晶屏、鍵盤鼠標(biāo)作為人機(jī)交互接口；根據(jù)功能要求，硬件上設(shè)計(jì)了基于PC104總線的具有相應(yīng)功能電路模塊,軟件方面設(shè)計(jì)了基于FPGA的功能模塊、基于Windows CE 6.0的嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序和基于迪文觸摸屏的軟件界面；該系統(tǒng)在核電廠硼濃度計(jì)、反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字反應(yīng)性儀等設(shè)備上均有良好應(yīng)用。

嵌入式計(jì)算機(jī)；核測(cè)系統(tǒng)；觸摸屏

0 引言

當(dāng)前，以個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)、工作站等為控制核心的數(shù)字化核測(cè)量系統(tǒng)已非常成熟與普遍，如數(shù)字化反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、核電站硼濃度計(jì)、數(shù)字反應(yīng)性儀、多道中子注量率分布測(cè)量系統(tǒng)等等。但是由于此類計(jì)算機(jī)本身體積較大，操作需配置鍵盤鼠標(biāo)，在小型化、便攜式方面略顯不足。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)非常緊密的融入我們的生活，如我們現(xiàn)在使用的智能手機(jī)、平板電腦、車載導(dǎo)航、ATM等等。其功能專一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸替代了以個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等為核心的系統(tǒng)。

本文介紹了以嵌入式計(jì)算機(jī)PCM-3343為基礎(chǔ)搭建的數(shù)字化核測(cè)量平臺(tái)，以觸摸屏作為人機(jī)交互接口，通過PC104總線擴(kuò)展不同功能的模塊，以實(shí)現(xiàn)功能各異的核測(cè)設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

核測(cè)系統(tǒng)根據(jù)核探測(cè)器的不同，基本可分為直流型和脈沖型。本文設(shè)計(jì)的核測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)這兩種類型的信號(hào)。如圖1所示，嵌入式計(jì)算機(jī)搭載在擴(kuò)展電路板上設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊，擴(kuò)展計(jì)算機(jī)本身的功能和接口。模擬信號(hào)采集電路、脈沖信號(hào)采集、預(yù)處理電路(放大、整形、甄別、隔離等)、開關(guān)量信號(hào)采集電路、模擬輸出電路、開關(guān)量輸出電路等也設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊的形式，由FPGA實(shí)現(xiàn)PC104總線譯碼，并通過PC104總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)交互接口可采用觸摸屏方式或者液晶顯示器及鍵盤鼠標(biāo)的方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式計(jì)算機(jī)

本系統(tǒng)的核心為嵌入式計(jì)算機(jī)PCM-3343，該板卡是基于PC104總線設(shè)計(jì)的，其基本配置： CPU為Vortex86DX -1 GHz，256 MB板載DDR2內(nèi)存；接口包括4個(gè)USB接口，1個(gè)SPI接口、1個(gè)I2C接口、3個(gè)RS232接口，1個(gè)RS485接口，2個(gè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)口等；支持CRT和LCD顯示。

2.2 觸摸屏

本設(shè)計(jì)可采用觸摸屏作為人機(jī)交互接口，減少了鼠標(biāo)鍵盤等外圍設(shè)備。觸摸屏采用北京迪文科技有限公司的8英寸顯示屏DMT80600T080_07W，嵌入式計(jì)算機(jī)通過RS232串口驅(qū)動(dòng)觸摸屏顯示，主要完成軟件系統(tǒng)界面及相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)的觸摸設(shè)置與修改，其主要技術(shù)參數(shù)為：

1)分辨率：800600(4:3)；

2)工作電壓：5～15 V；

3)工作電流：350 mA@12 V。

2.3 模擬信號(hào)采集

模擬信號(hào)采集包括電壓信號(hào)、小電流信號(hào)。電壓信號(hào)通過電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片，并采用多路開關(guān)切換實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換芯片和多路開關(guān)的時(shí)序由FPGA控制，圖2為8通道模擬采集電路示意圖。對(duì)于大電流信號(hào)(如4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流)可采用高精度取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后采集；對(duì)于小電流信號(hào)需設(shè)計(jì)小電流放大器，轉(zhuǎn)換為電壓后采集，而小電流放大器檔位控制由FPGA實(shí)現(xiàn)。

圖2 8通道模擬采集電路示意圖

2.4 脈沖信號(hào)采集

計(jì)數(shù)管輸出的微弱的脈沖信號(hào)，經(jīng)前放、主放放大、甄別、整形處理后的脈沖信號(hào)采用光電隔離，一般采用6N137，隔離后的信號(hào)輸入到FPGA內(nèi)，在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)采集。

2.5 開關(guān)量信號(hào)采集

對(duì)于有源開關(guān)量，隔離原理與脈沖信號(hào)采集電路相同，隔離后的信號(hào)輸入到FPGA內(nèi)；對(duì)于無源開關(guān)量，需增加一個(gè)隔離激勵(lì)電源，轉(zhuǎn)換為有源開關(guān)量后，進(jìn)行采集。

2.6 模擬信號(hào)輸出

模擬輸出信號(hào)為電壓信號(hào)或電流信號(hào)，電壓信號(hào)由FPGA控制DA輸出，DA輸出的信號(hào)需增加跟隨器以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；電流信號(hào)一般為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，可采用4～20 mA變送芯片，如AD694，將DA輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

2.7 開關(guān)量信號(hào)輸出

對(duì)于通道較少的開關(guān)量輸出，可采用三極管驅(qū)動(dòng)輸出；對(duì)于通道較多的開關(guān)量輸出，由于FPGA的IO資源有限，F(xiàn)PGA輸出串行數(shù)據(jù)，經(jīng)隔離后，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)繼電器、光耦開關(guān)等輸出。

2.8 通訊接口

嵌入式計(jì)算機(jī)本身提供了較為豐富的通訊接口，基本上可以滿足我們?cè)O(shè)計(jì)使用需要，但是對(duì)于某些對(duì)通訊功能要求較多的設(shè)備，有必要增加更多的接口。

考慮到FPGA較為豐富的IO口和配置的靈活性，通過Verilog HDL語言在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)各種通訊接口模塊：如RS485接口[2]、RS232接口[3]、CAN總線接口[4]、SPI總線接口、I2C總線接口、USB接口等,各通訊接口通過PC104總線與嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用這種由FPGA實(shí)現(xiàn)各種接口的方法使FPGA外圍器件大大減少，可根據(jù)需要進(jìn)行增加和剪裁，使設(shè)計(jì)和使用更加靈活。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括基于FPGA的功能模塊設(shè)計(jì)、基于WinCE的嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)和基于迪文觸摸屏的軟件界面開發(fā)。

3.1 功能模塊

功能模塊是運(yùn)行于FPGA內(nèi)部根據(jù)用戶定義得到，采用Verilog或HDL語言編寫，包括：PC104接口模塊、AD采樣時(shí)序控制模塊、DA輸出時(shí)序控制模塊、定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊、開關(guān)量輸入輸出控制模塊、通訊接口模塊等。各功能模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)和仿真，根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行各模塊組合和整體仿真。

3.2 應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)分為操作平臺(tái)的開發(fā)和數(shù)據(jù)計(jì)算與控制程序設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)計(jì)算與控制程序運(yùn)行在Windows CE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)上，該系統(tǒng)平臺(tái)具有可靠性好、實(shí)時(shí)性高、內(nèi)核體積小的特點(diǎn)，特別適合于PC104嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。操作系統(tǒng)由Windows CE軟件工具來完成定制，操作系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)是一個(gè)遞歸開發(fā)過程，主要包括以下步驟：

1)硬件平臺(tái)特定BSP包安裝：安裝特定于PCM-3343硬件平臺(tái)的BSP包；

2)操作系統(tǒng)平臺(tái)搭建：創(chuàng)建一個(gè)能在PCM-3343嵌入式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的Windows CE操作系統(tǒng)內(nèi)核，驅(qū)動(dòng)PCM-3343系統(tǒng)所有硬件，并對(duì)操作系統(tǒng)特征和軟件功能進(jìn)行精確定制；

3)操作系統(tǒng)下載與調(diào)試：操作系統(tǒng)搭建完成以后需要下載到目標(biāo)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，主要包括：建立目標(biāo)設(shè)備與開發(fā)機(jī)的連接、配置目標(biāo)設(shè)備連接性選項(xiàng)、操作系統(tǒng)的下載與運(yùn)行、操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試等。

4)SDK的導(dǎo)出：創(chuàng)建一個(gè)基于本操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的SDK，主要用于在特定操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開發(fā)。

數(shù)據(jù)計(jì)算與控制程序設(shè)計(jì)采用Visual Studio 2005進(jìn)行開發(fā)，若采用觸摸屏作為人機(jī)交互接口，可不設(shè)計(jì)軟件界面。主要的功能應(yīng)包括：與觸摸屏通過RS232接口通訊、與PC104總線通訊、電壓或電流采集處理計(jì)算、開關(guān)量采集、脈沖信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)、電壓或電流計(jì)算輸出、開關(guān)量輸出控制等。

基于Windows CE 6.0平臺(tái)的數(shù)據(jù)計(jì)算與控制程序針對(duì)RS232串口通訊調(diào)用了串口通訊函數(shù)。這些函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行配置和讀寫，包括：GreatFile、CloseFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile等。通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式定義詳見表1。

表1 迪文DGUS屏串口數(shù)據(jù)幀格式

電壓或電流采集處理計(jì)算、開關(guān)量采集、脈沖信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)、電壓或電流計(jì)算輸出、開關(guān)量輸出控制等的數(shù)據(jù)都是通過PC104總線完成，數(shù)據(jù)計(jì)算與控制程序針對(duì)PC104總線通訊調(diào)用了IO操作函數(shù)，IO操作函數(shù)包括：READ_PORT_UCHAR和WRITE_PORT_UCHAR分別讀寫相應(yīng)地址(基地址+偏移地址)數(shù)據(jù)。

3.3 人機(jī)界面

軟件界面采用迪文DGUS觸摸屏配置軟件進(jìn)行開發(fā)，并采用RS232串口通訊的模式與嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。人機(jī)界面的開發(fā)主要分為參數(shù)配置、界面設(shè)計(jì)和通訊協(xié)議設(shè)計(jì)，生成的配置文件和圖片文件通過SD卡下載到迪文DGUS觸摸屏運(yùn)行。

參數(shù)設(shè)置主要包括通訊參數(shù)設(shè)置(波特率設(shè)置、通信幀頭設(shè)置、幀校驗(yàn)設(shè)置和串口自動(dòng)上傳設(shè)置等)和顯示參數(shù)設(shè)置(屏幕分辨率設(shè)置、屏幕顯示方向設(shè)置和屏幕控制背光設(shè)置等)，以上參數(shù)設(shè)置完成以后輸出CONFIG.TXT文件。

界面設(shè)計(jì)是DGUS屏軟件設(shè)計(jì)的核心部分，主要分為界面圖片設(shè)計(jì)和界面配置兩部分。界面圖片設(shè)計(jì)完成人機(jī)界面的圖片、文字、顏色和結(jié)構(gòu)布局等重要元素的美工效果設(shè)計(jì)。界面圖片利用Photoshop(或者其它繪圖軟件)進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖片必須是24位色的BMP格式。界面配置完成觸控配置和變量配置中的相關(guān)變量的定義。觸控配置為用戶可觸控操作的界面元素的設(shè)置，一般包括變量數(shù)據(jù)錄入、彈出菜單選擇、增量調(diào)節(jié)、拖動(dòng)調(diào)節(jié)、文本錄入等；變量配置為需要界面顯示的變量的設(shè)置，一般包括圖標(biāo)變量、文本變量、圖形變量。

迪文DGUS觸摸屏與嵌入式計(jì)算機(jī)PCM-3343之間的數(shù)據(jù)交換通過RS232接口實(shí)現(xiàn)。 PCM-3343上的通訊程序按照表1串口數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行編程，PCM-3343對(duì)迪文觸摸屏的控制寄存器的訪問以字節(jié)為單位，對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的訪問以字為單位，表2對(duì)兩種寄存器訪問做了說明。

表2 寄存器訪問說明

4 應(yīng)用

4.1 核電站硼濃度計(jì)

硼能有效的吸收中子，該設(shè)備通過測(cè)量中子源的計(jì)數(shù)率間接計(jì)算出硼濃度。巴基斯坦C2/C3/C4核電站硼濃度計(jì)測(cè)量裝置就是基于本文提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)量裝置包括計(jì)算機(jī)模塊、模擬輸入輸出模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、高壓電源、脈沖放大模塊等。高壓電源為計(jì)數(shù)管提供工作高壓，計(jì)數(shù)管輸出的脈沖經(jīng)過脈沖放大模塊進(jìn)行放大、甄別、成形，計(jì)算機(jī)模塊對(duì)脈沖進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，通過測(cè)得的計(jì)數(shù)率計(jì)算硼濃度。模擬輸入輸出模塊測(cè)量回路溫度值，對(duì)計(jì)算出的硼濃度進(jìn)行溫度修正，測(cè)量衰減后的高壓值、甄別閾值進(jìn)行顯示，同時(shí)將計(jì)算出的硼濃度值轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)輸出。硼濃度值低于報(bào)警閾值、硼濃度變化率低于報(bào)警閾值、系統(tǒng)工作參數(shù)不正確均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，隔離驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)繼電器產(chǎn)生報(bào)警觸點(diǎn)信號(hào)、驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管產(chǎn)生報(bào)警光電指示。嵌入式計(jì)算機(jī)的RS232接口可連接本地計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行硼濃度值、運(yùn)行參數(shù)等的實(shí)時(shí)顯示；嵌入式計(jì)算機(jī)的RS485接口可連接遠(yuǎn)程顯示單元進(jìn)行硼濃度的顯示，同時(shí)可進(jìn)行硼濃度輸出類型選擇。

4.2 反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于PCI總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)為核心(包括工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、RS485通訊卡)，外圍配置信號(hào)預(yù)處理單元、3臺(tái)顯示器以及UPS電源等主要設(shè)備。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控來自反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，為試驗(yàn)人員提供反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和物理分析[5]。可根據(jù)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)替代工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、RS485通訊卡等，設(shè)計(jì)嵌入式計(jì)算機(jī)模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、32通道的模擬采集模塊、72通道的開關(guān)量信號(hào)采集模塊、4通道脈沖信號(hào)采集模塊、4通道485通訊模塊，軟件為基于Windows CE 6.0的人機(jī)交互界面程序，功能包括運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警指示以及臨界外推計(jì)算等。

4.3 數(shù)字反應(yīng)性儀

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的第二代改進(jìn)型便攜式數(shù)字化反應(yīng)性儀，由反應(yīng)性主機(jī)、電離室、筆記本電腦組成。其中反應(yīng)性主機(jī)包括小電流放大器、數(shù)據(jù)采集模塊、USB接口控制器、低壓電源和高壓電源組成[6]。設(shè)計(jì)模擬采集模塊、嵌入式計(jì)算機(jī)模塊替代數(shù)據(jù)采集模塊、USB接口控制器和筆記本電腦，同時(shí)采用觸摸屏作為人機(jī)交互接口。嵌入式計(jì)算機(jī)通過PC104總線對(duì)模擬采集模塊進(jìn)行時(shí)序控制和數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)采集結(jié)果控制小電流放大器進(jìn)行檔位切換，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，并通過RS232接口與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。模擬采集模塊設(shè)計(jì)單通道的模擬電壓信號(hào)采集，模塊內(nèi)集成的FPGA完成PC104總線譯碼和采集控制。小電流放大器模塊除了保留原有小電流放大電路外，PC104總線譯碼和小電流檔位控制由模塊內(nèi)的FPGA完成。觸摸屏界面可根據(jù)原有軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能上具有小反應(yīng)性實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量和可消除空間效應(yīng)的大反應(yīng)性的落棒法測(cè)量。

5 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)具有功能專一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特點(diǎn)，在核測(cè)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。本文根據(jù)核測(cè)系統(tǒng)的普遍要求，設(shè)計(jì)了基于嵌入式計(jì)算PCM-3343的核測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增加和剪裁，在核電廠硼濃度計(jì)、反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字化反應(yīng)性儀等設(shè)備上均有良好的應(yīng)用。

[1] 王福剛,楊文君,葛良全.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014,22(12):3843-3847.

[2] 梁士龍,王力男,楊嘉偉.用FPGA實(shí)現(xiàn)RS-485通信接口芯片[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002,24(4):103-106.

[3] 戴 彥,王誠(chéng)意,孫 春.基于FPGA的RS232串行通信設(shè)計(jì)[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,24(3):74-76.

[4] 張雨光,黃啟俊,常 勝.基于FPGA的CAN總線控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2011(5):34-36.

[5] 代航陽,鄧 圣,崔 璨.數(shù)字化反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制[J].核動(dòng)力工程,2013,34(2):56-59.

[6] 黃禮淵,付國(guó)恩,李 翔.反應(yīng)堆物理試驗(yàn)用便攜式數(shù)字反應(yīng)性儀的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2010,30(5):638-641.

Design and Application of Nuclear Measurement System Based on Embedded Computer

Cui Can，Deng Sheng，Dai Hangyang，F(xiàn)u Guoen

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

Embedded system which has the merits of specifical function, high integration, high reliability and low consumption has huge application foreground in nuclear measurement field. Nuclear measurement system based on embedded computer PCM-3343 is designed with the functions of analog signal acquisition, pulse signal acquisition, on-off signal acquisition, analog output, on-off signal output, and it takes touch screen, LCD, keyboard and mouse as the interface of human-computer interaction. According to the function requirements, circuit modules based on PC104 bus, which have corresponding functions, are designed on the hardware side, function modules based on FPGA, application program based on Windows CE 6.0 embedded operating system, and interface software based on DW touch screen are designed on the software side. This system is well applied in boron meter for nuclear power plant, centralized data acquisition system for reactors, and digital reactivity meter.

embedded computer; nuclear measurement system; touch screen

2015-09-21；

2015-10-26。

崔 璨(1984-)，男，浙江寧波、碩士，助理研究員，主要從事核電子學(xué)工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0048-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.014

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