王諾，胡立生

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)繼續(xù)保持又好又快發(fā)展勢(shì)頭的必然要求，核動(dòng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)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(huì)給人們的生活和生命財(cái)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(cè)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(cè)瞬發(fā)裂變的輻射來測(cè)量。反應(yīng)堆功率的測(cè)量技術(shù)就是建立在探測(cè)中子、γ射線,或兩者同時(shí)探測(cè)的基礎(chǔ)上的。

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

核輻射探測(cè)器將所測(cè)相關(guān)模擬信號(hào)送出后，需要卡件對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行甄別處理，把這些模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)理、信號(hào)倍增、A/D轉(zhuǎn)換后得到控制卡所能識(shí)別和處理的數(shù)字信號(hào)，這就要求所設(shè)計(jì)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(zhǔn)確及時(shí)的轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，送入控制卡進(jìn)行處理。

1 模擬量輸入卡件設(shè)計(jì)

本文介紹一個(gè)可實(shí)現(xiàn)這些功能的模擬量輸入量處理卡件（以下簡(jiǎn)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(hào)是電壓和/或電流的絕對(duì)信號(hào)或差分信號(hào)，信號(hào)范圍有0－10V、0－500mV、0－50mV、0－20mA和/或±10V、±500mV、±50mV、±20mA；

[3] 輸入信號(hào)共有8路。

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

針對(duì)這些要求，我們的設(shè)計(jì)方案如下：

1.1 AI卡硬件設(shè)計(jì)介紹

整個(gè)AI卡硬件設(shè)計(jì)分為模擬部分和數(shù)字部分，為了減少模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)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(hào)調(diào)理，信號(hào)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(gè)核電保護(hù)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(dòng)時(shí)間短，有過流保護(hù)裝置，低紋波，尺寸較小等特點(diǎn)，適合于本卡件的電路功能和電路布局。

信號(hào)調(diào)理的工作通過精密電阻來完成。因?yàn)檩斎胄盘?hào)可能有不同量程，既有可能是電壓信號(hào)，也有可能是電流信號(hào)，且電壓信號(hào)又有不同量程，若0～10V電壓不做調(diào)理直接進(jìn)入后續(xù)電路，則要超出后續(xù)電路測(cè)量范圍，故要先把 0～10V電壓通過電阻分壓降到 0～50mV；同時(shí)由于后續(xù)電路芯片均只能識(shí)別電壓信號(hào)，所以要將電流信號(hào)經(jīng)過精密電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。

信號(hào)放大是因?yàn)槟軌蚓_轉(zhuǎn)換mV級(jí)信號(hào)且價(jià)格適宜的A/D轉(zhuǎn)換芯片很少，故0～50mV，0～500mV信號(hào)在進(jìn)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(jí)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(hào)（mV級(jí)），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(hù)，寬電源電壓范圍，低靜態(tài)電流等特點(diǎn)，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(gè)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(shí)切換。兩級(jí)放大電路的使用，可以保證信號(hào)進(jìn)入A/D時(shí)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(shí)對(duì)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(jìn)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?yàn)樗O(shè)計(jì)系統(tǒng)將來目標(biāo)應(yīng)用于核電保護(hù)系統(tǒng)，故對(duì)測(cè)試信號(hào)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(shì)，且ICL7109具有高精度，低噪聲，低功耗，內(nèi)藏基準(zhǔn)電壓源，價(jià)格便宜等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于高精度測(cè)量場(chǎng)合。ICL7109采用5V供電，輸出數(shù)字信號(hào)14位，其中數(shù)據(jù)位為12位，另有一位符號(hào)位和一位溢出標(biāo)志位，可有效轉(zhuǎn)換-5V～+5V的電壓信號(hào)。

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(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實(shí)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(shí)現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計(jì)需求。其速度快，功耗低，通用性強(qiáng)，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用FPGA還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)（可以在系統(tǒng)運(yùn)行的不同時(shí)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(shí)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(jī)相比，F(xiàn)PGA運(yùn)行速度快，管腳多,容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)，F(xiàn)PGA內(nèi)部程序并行運(yùn)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(jìn)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(chǎng)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(gè)用戶I/O端口，其功能強(qiáng)大，可滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 AI卡軟件設(shè)計(jì)介紹

AI卡的軟件設(shè)計(jì)是指 FPGA的內(nèi)部程序設(shè)計(jì)。FPGA用VHDL進(jìn)行編程，VHDL是一種用于電路設(shè)計(jì)的硬件語(yǔ)言。該語(yǔ)言功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)靈活，支持廣泛，易于修改，其強(qiáng)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(yǔ)言[5]。

1) 軟件設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)的接入形式，信號(hào)類型及量程范圍，根據(jù)設(shè)定信息，對(duì)各控制芯片發(fā)送相應(yīng)控制信號(hào)，同時(shí)讀取 A/D芯片輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)的通道存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，最后等待控制卡的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

當(dāng)控制卡發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，把寄存器中的存儲(chǔ)值，即反應(yīng)當(dāng)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(qǐng)求，將對(duì)應(yīng)地址空間上的存儲(chǔ)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(yàn)證

仿真信號(hào)設(shè)置如下：clk為時(shí)鐘信號(hào)，它連接20M晶振，提供周期為50nS的時(shí)鐘信號(hào)；PESP和BASP為控制卡發(fā)出的對(duì)AI卡件的控制信號(hào)，當(dāng)PESP為高，BASP為低時(shí)，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(hào)，低電平有效，當(dāng)其為低電平時(shí)，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(hào)，為高時(shí)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(hào)，由000-111分別選中八個(gè)不同通道；DI是A/D轉(zhuǎn)換器連到FPGA的數(shù)據(jù)線，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器為12位，故DI也為12位。

將軟件設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行邏輯功能仿真驗(yàn)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(tái)進(jìn)行的。在圖中數(shù)據(jù)和地址均設(shè)置為十六進(jìn)制，控制信號(hào)為二進(jìn)制，ZZ表示高阻狀態(tài)。我們?cè)O(shè)8個(gè)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(gè)核電安全儀控系統(tǒng)中的地址占用空間為080H-08FH，依次存儲(chǔ)8個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道占用兩個(gè)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(shí)，且K32_ADD選中本卡件時(shí)，K32_D能夠準(zhǔn)確向控制卡傳送數(shù)據(jù)，且當(dāng)A/D采樣值改變時(shí)，存儲(chǔ)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(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。證明了程序的正確性和實(shí)用性。

2 結(jié)語(yǔ)

本文提出的設(shè)計(jì)思想已經(jīng)在實(shí)際中得以實(shí)現(xiàn)，樣機(jī)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(dá)到核物理實(shí)驗(yàn)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(jì)要求。

[1] 王汝贍,卓韻裳.核輻射測(cè)量與防護(hù)[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(xué)出版社,1999.

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

[4] 鄭燕，赫建國(guó)，黨劍華. 基于VHDL語(yǔ)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(guó)防工業(yè)出版社,2007.