張雄林，袁 強(qiáng)，吳昌昊

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

一種冗余通信棒位檢測(cè)儀

張雄林，袁 強(qiáng)，吳昌昊

（中國(guó)兵器工業(yè)第58研究所 四川 綿陽 621000）

針對(duì)棒位檢測(cè)對(duì)通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、安全性、可靠性和有效性要求極高，設(shè)計(jì)了一種雙通訊冗余的棒位檢測(cè)儀。該系統(tǒng)由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成，每一個(gè)單元均是采用雙冗余設(shè)計(jì)。兩套系統(tǒng)相互發(fā)送心跳信號(hào)，檢測(cè)對(duì)方工作狀態(tài)和傳輸數(shù)據(jù)；一旦一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一套系統(tǒng)立刻替代工作，檢查故障，并將故障反饋給上位機(jī)。性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，該冗余通訊系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確，符合核反應(yīng)堆控制棒棒位檢測(cè)要求。

控制棒；棒位檢測(cè)；通信冗余；冗余技術(shù)

控制棒是反應(yīng)堆的核心部件，也是堆內(nèi)唯一可動(dòng)部件，棒位位置直接影響反應(yīng)堆的啟動(dòng)、功率調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和正常停堆等。在正常工作狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)控制棒位置來控制反應(yīng)堆的啟動(dòng)和停閉；在緊急狀態(tài)下，快速調(diào)整棒位來實(shí)現(xiàn)緊急停堆［1］。棒位檢測(cè)儀是控制棒棒位檢測(cè)的重要裝置，其檢測(cè)精度決定了反應(yīng)堆控制的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，關(guān)系到反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和安全［2］。棒位檢測(cè)對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性、安全性和有效性要求極高，通常采用多通信冗余設(shè)計(jì)來提高通信系統(tǒng)的可靠性和可用性［3-5］。

1 硬件設(shè)計(jì)

棒位檢測(cè)儀通信系統(tǒng)采用雙通信方式，由CPU控制單元、通訊電路單元、狀態(tài)監(jiān)控單元、狀態(tài)指示單元等模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)均采用雙冗余設(shè)計(jì)，一套系統(tǒng)用于正常工作，另一套系統(tǒng)隨時(shí)處于工作狀態(tài)，兩者之間時(shí)刻保持通信。一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一套系統(tǒng)立即替代。通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 CPU控制單元

CPU控制單元是整個(gè)通訊系統(tǒng)的核心，處理器選用NXP公司ARM系列芯片，該芯片最高頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部集成512KB片內(nèi)Flash和58KB SRAM，具有4路標(biāo)準(zhǔn)UART接口、2路CAN控制總線接口、8通道的A/D轉(zhuǎn)換器、3個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI/SSP等。

CPU控制單元主要完成通信系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)讀取及處理、與上位機(jī)通信及狀態(tài)監(jiān)控等功能。通過RS422與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)；通過CAN總線與測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信。

1.2 通訊電路單元

處理器直接提供了UART和CAN接口，CAN通訊電路負(fù)責(zé)功能插件之間的數(shù)據(jù)交換，RS422總線負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下發(fā)。RS422串口驅(qū)動(dòng)由MAX491EESD芯片完成，采用ISO7221C信號(hào)隔離芯片對(duì)收、發(fā)信號(hào)進(jìn)行隔離處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。CTM8251T芯片完成外接CAN收發(fā)，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，主要完成將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500V的隔離功能，總線速率最高可達(dá)1 Mbit/s。

通訊系統(tǒng)采用雙冗余設(shè)計(jì)，板上集成了A/B兩套系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)能分別完成測(cè)量板卡的通訊控制以及測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳，并具有電壓檢測(cè)、溫度監(jiān)控等功能。A/B兩套系統(tǒng)通過串口和GPIO口互連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，心跳狀態(tài)互連。如圖2所示。

圖2 雙冗余通信原理框圖Fig.2 Schematic diagram of dual redundant communication

1.3 其他單元

本系統(tǒng)供電電壓有+5 V、+3.3 V、+1.8 V、+2.5 V、+12 V等，工作溫度-40～85℃。因此電源設(shè)計(jì)的安全性、可靠性、可維修性等決定著系統(tǒng)應(yīng)用前景。

狀態(tài)監(jiān)控主要對(duì)電源轉(zhuǎn)換單元輸出電源和電源轉(zhuǎn)換模塊溫度進(jìn)行監(jiān)控，本系統(tǒng)采用ADT7411為溫度、電壓監(jiān)控芯片，將電源模塊的散熱器與該芯片封裝外殼接觸，通過檢測(cè)散熱器的溫度從而判斷電源轉(zhuǎn)換模塊溫度是否超標(biāo)。

2 軟件設(shè)計(jì)

通訊系統(tǒng)軟件模塊主要包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理三部分。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊將通訊系統(tǒng)要求的電壓、電源溫度等信息上傳給上位機(jī)，若存在問題則進(jìn)行故障報(bào)警；參數(shù)設(shè)置模塊為上位機(jī)提供RS422協(xié)議、Modbus-RTU協(xié)議使用到的通訊速率、校驗(yàn)方式等參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)處理模塊為內(nèi)部及外部通訊提供統(tǒng)一的發(fā)送及接收數(shù)據(jù)消息的接口，并根據(jù)要求提供數(shù)據(jù)打包、解析等功能。

通訊插件A/B兩套系統(tǒng)通過GPIO口相互發(fā)送心跳信號(hào)，如當(dāng)A系統(tǒng)檢測(cè)到本系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可停止產(chǎn)生A-B心跳信號(hào)，當(dāng)B系統(tǒng)檢測(cè)到A系統(tǒng)心跳停止，可通過互連串口查詢A系統(tǒng)故障原因，如出現(xiàn)通訊無反應(yīng)可當(dāng)死機(jī)處理，查明A機(jī)故障原因后，通過RS422（B）口報(bào)告上位機(jī)控制系統(tǒng)。同理A系統(tǒng)也可以通過互連串口和B-A心跳判別B系統(tǒng)的工作情況。在通訊插件的A/B兩套系統(tǒng)工作正常情況下，上位機(jī)控制系統(tǒng)可通過兩路RS422口分別訪問A/B兩套系統(tǒng)。心跳交互流程圖如圖3所示。

圖3 心跳流程圖Fig.3 Flow chart of the heart signals

在加電工作情況下，默認(rèn)A系統(tǒng)為主機(jī)，B系統(tǒng)為備機(jī)，工作時(shí)主機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)控制系統(tǒng)的控制命令，經(jīng)處理后下傳給測(cè)量系統(tǒng)，并將測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)上報(bào)給上位機(jī)控制系統(tǒng)，備機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，可接收來自測(cè)量板卡及上位機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，檢測(cè)主機(jī)工作狀態(tài)，除檢測(cè)到主機(jī)異常和上位機(jī)查詢狀態(tài)信息外，不主動(dòng)發(fā)起通訊。CAN通信流程圖如圖4所示。

3 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)合高溫/低溫環(huán)境和例行性能測(cè)試，進(jìn)行線圈的差分信號(hào)比及空載信號(hào)比兩項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果表明處理后有效信號(hào)的信噪比為17～34 dB，具有良好的抗擾能力。如圖5所示。

針對(duì)不同批次的測(cè)量芯棒、不同阻抗線圈組、不同批次套管進(jìn)行組合性能測(cè)試，結(jié)果表明本裝置與傳感器組合測(cè)試精度為標(biāo)準(zhǔn)步位±3 mm，高于同類產(chǎn)品要求。如圖6所示。

通過電磁兼容試驗(yàn)，結(jié)果表明雙冗余通訊設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通過下圖可看出實(shí)際測(cè)出的曲線均在標(biāo)準(zhǔn)中要求的范圍內(nèi)。如圖7所示。

4 結(jié)束語

冗余通訊不是簡(jiǎn)單的將兩個(gè)通訊系統(tǒng)疊加，而是通過兩個(gè)通訊系統(tǒng)互相交換信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)彼此工作狀態(tài)，避免數(shù)據(jù)通訊中斷的情況發(fā)生，提高了棒位檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，從而提高了核反應(yīng)堆的安全性。通過大量測(cè)量數(shù)據(jù)表明，該冗余通訊系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確，符合核反應(yīng)堆控制棒棒位檢測(cè)要求。

圖4 CAN通訊流程圖Fig.4 Flow chart of CAN communication

圖5 高溫/低溫試驗(yàn)Fig.5 High/low temperature test

圖6 例行驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.6 Routine validation test

圖7 電磁兼容試驗(yàn)Fig.7 EMC test

［1］蔣躍元，孫忠智.多編碼棒磁敏式控制棒位置探測(cè)器［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2006（3）:284-287.

［2］彭小強(qiáng)，鄭養(yǎng)波.AP1000控制棒棒位的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)分析［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2012（5）:627-630.

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［4］李濤，徐育周，王春生，等.棒控棒位系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)［J］.核科學(xué)與工程，2014（1）:73-79.

［5］蘇虎平，沈三民，劉文怡，等.基于冗余CAN總線的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.總線與網(wǎng)絡(luò)，2013，34（1）:26-29.

［6］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

A communication redundancy of rod position detector

ZHANG Xiong-lin，YUAN Qiang，WU Chang-hao
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the rod position detection of the communication system real-time，accuracy，security，reliability and validity highly requirements，a dual communication redundancy of rod position detector is designed.Which are composed of CPU control unit，communication circuit unit，condition monitoring unit，status indication unit etc，each unit is designed with double redundancy.Two systems send each other the heart signals，test each other working status and data transmission；Once a system failure，another system replace immediately，check the fault and feedback the failure to PC.The performance verification experimental results show that the redundant communication system working stability，measurement accuracy，conform to the requirements of the nuclear reactor control stick a detection.

control rod；stick a detection；communication redundancy；redundancy technique

TN97

A

1674－6236（2016）04-0091-03

2015-08-17 稿件編號(hào)：201508090

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

張雄林（1984—），男，四川綿陽人，工程師。研究方向：自動(dòng)化控制。