許 超，羅向東

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150090)

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關(guān)于主從式核物位監(jiān)測系統(tǒng)的設計討論

許 超1，羅向東2

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150090)

對基于多個多微處理器的從式核物位監(jiān)測系統(tǒng)的整個設計過程展開闡述，就測量原理簡單概括，著眼于其外部構(gòu)造、硬件電路、軟件編制及通信協(xié)議四個角度進行分析，國內(nèi)多個大型發(fā)電廠都在除塵系統(tǒng)中對此系統(tǒng)進行運用，成效非常顯著。

主從式；核物位；并行處理；多微處理器

全球化工、冶金、礦山、電力及建材等諸多行業(yè)的物位檢測、控制都大量運用了物位監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是在一些環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中，此系統(tǒng)發(fā)揮了無可替代的作用，例如高壓環(huán)境、高溫環(huán)境及腐蝕性極強的環(huán)境。

γ射線在穿過介質(zhì)的過程中，它的強度會慢慢被吸收，因而一步步減弱，基于此原理而成功研發(fā)出核物位監(jiān)測系統(tǒng)。探測器、輻射源、二次儀表是我國核物位計生產(chǎn)制作的三大構(gòu)件。而模擬信號檢測控制是二次儀表內(nèi)部運用的主要模式，通過CPU即可將全部功能實現(xiàn)，包括信息處理、傳感器模塊狀態(tài)、報警、數(shù)據(jù)顯示、上位機通信等，由此CPU承受的壓力巨大。若CPU故障，會導致系統(tǒng)處于徹底癱瘓的狀態(tài)，無法妥善處理好報警信息。若多任務系統(tǒng)有著較高的實時性要求，單CPU結(jié)構(gòu)無力處理。為將此問題妥善處理，本課題最終確定選用一個主微處理器和多個通道，從微處理器將主從式監(jiān)測系統(tǒng)成功搭建。各通道微處理器實時采集、處理數(shù)據(jù)都是獨立開展的，且獨立地就對應通道輸出進行控制。各通道微處理器并行工作的協(xié)調(diào)由主控微處理器負責，并對一些非實時工作進行負責，例如，顯示數(shù)據(jù)、修改參數(shù)和上位機通信等。這一設計方案使系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定。

1 測量原理

核料位計的設計充分利用了介質(zhì)對r射線的吸收原理，吸收規(guī)律與比爾定律相契合，能夠通過下列函數(shù)來加以表示：

I=Ioe-ud

上述函數(shù)中：字母I、Io分別對應射線被介質(zhì)吸收后、前的強度，μ、d分別對應介質(zhì)吸收系數(shù)及厚度。

設I1、I2分別對應容器內(nèi)存在介質(zhì)、不存在介質(zhì)的射線強度(也就是d2為0的情況下)。通過上式，存在I1=Ioe-ud1、I2=Ioe-ud2。

對于上面的式子，由于e-μd因子作用，導致I2?I1，判別并對比被測兩種狀態(tài)中射線強度，則能夠?qū)橘|(zhì)的“空”、“滿”作出判斷。

圖1 多通道核料位測量計原理示意圖Fig.1 Multi-channel nuclear level meter schematic diagram

2 系統(tǒng)設計

2.1 外部結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)有三大構(gòu)件：輻射源、二次儀表及探頭。測量現(xiàn)場裝設探頭及輻射源，控制室裝設二次儀表。輻射源裝設的區(qū)域是經(jīng)過特別制造的工作鉛罐，此鉛罐有一個準直孔，輻射源因此能夠射出較小直徑的射線束。此外，鉛罐中還配置有一開關(guān)，負責對輻射源射出進行控制。探頭外殼材料為金屬，可將諸多電磁輻射成功屏蔽，為內(nèi)部電路提供保護，與應用現(xiàn)場的諸多惡劣環(huán)境相適應。

圖2 核物位監(jiān)測系統(tǒng)各部分外形結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Level monitoring system for nuclear shape structure of the parts

2.2 儀器硬件電路設計

硬件電路部分包括兩部分：探頭、二次儀表。其中二次儀表能配置八個探頭。

2.2.1 探頭

根據(jù)探測器差異，可將核儀表劃分成閃爍體、蓋革計數(shù)管、電離室多種類型。通過對比分析，本系統(tǒng)設計最終確定蓋革計數(shù)管作為探測器。其優(yōu)勢體現(xiàn)在實惠的價格、較為簡單的外圍電路、溫度對其影響不大、較可靠的工作。缺點體現(xiàn)在閃爍體探測器探測效率不高。通過三個反向器，探測器傳輸而來的信號得以整形，以振蕩器控制開關(guān)存在，通過整形、驅(qū)動之后，振蕩器輸送至主機進行處理。由于探測效率非常低，若處于低輻射計量這一環(huán)境，往往難以捕捉信號，此外信號統(tǒng)計存在著巨大的漲落。通過探頭電路處理的運用，捕捉信號的工作不再有難度，儀器也因此變得更加靈敏。

2.2.2 二次儀表

本課題設計的系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，是在51單片機基礎上研發(fā)的。圖3為二次儀表的電路圖，包括主控制器一個，通道控制器八個。通過主從方式的串行通信來交換主控制器和各通道控制器的信息，對于八個通道控制器，主控制器輪流進行查詢，對于涉及自身的命令，各通道控制器會及時進行反應。

圖3 二次儀表電路圖Fig.3 Schematic secondary instrument

2.2.2.1 主控制器

此部件的核心是單片機，對其他功能元件進行擴展顯示，例如，按鍵輸入、驅(qū)動控制、參數(shù)掉電保存等，其功能在于對各通道的報警狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)進行顯示。此外，還可修改并儲存不同通道的預設參數(shù)。

a.最終采用的是有著較高性價比的AT89C52作為其單片機，內(nèi)設KB閃速可編程/擦除只讀存儲器一個，I/O口、中斷源、16位定時/計數(shù)器、優(yōu)先級結(jié)構(gòu)分別為32個、3個、6個，能夠與系統(tǒng)的要求相契合。

b.最終確定PS7219為其顯示驅(qū)動控制。同步串行外設接口為其接口形式，能夠便捷地和所有的單片機實現(xiàn)接口，此外，還能對靶位LED同時進行驅(qū)動。芯片內(nèi)設時鐘，不要求有外部元件，有較為強大的顯示功能及較高的性價比。

2.2.2.2 通道控制器

此部件的核心在于AT89C2051單片機，對信號整形電路、繼電器驅(qū)動輸出等部件進行擴展。各通道控制器負責獨立、并行實現(xiàn)對γ射線強度的監(jiān)測。通過整形，提供探頭輸送的信號至每個監(jiān)測通道的單片機之中，由其負責處理。對于傳輸而至的頻率信號，每個監(jiān)測通道單片機會進行換算處理，使其成為γ射線強度值，并對比所監(jiān)測的γ射線強度值程序、設定的本通道γ射線下限強度值，若前者更低，則通道報警繼電器動作。不同通道獨立并行開展采集、處理數(shù)據(jù)的工作，有著較強的實時性，同時系統(tǒng)也因此變得更為可靠、穩(wěn)定。

2.3 通信協(xié)議

對于單片機多級系統(tǒng)，最終確定選用總線型主從式多級系統(tǒng)。在多個單片機內(nèi)，存在主機一個，剩下的皆屬于從機，主機負責支配并調(diào)度各從機，此即為主從式。此結(jié)構(gòu)非常適用于8051單片機的串行口工作方式2、3。

從8051單片機的串行口工作方式2、3，根據(jù)下列協(xié)議多機通信開展相應工作：第一，確保全部從機的SM2位置1所處的狀態(tài)是僅對地址幀進行接收。第二，主機會將一幀地址信息發(fā)送，地址/數(shù)據(jù)信息標志位為第八位、第九位，此位置屬于1。第三，將地址幀成功接收后，從機會對比其地址與接收的資質(zhì)。若相符，則SM2位清0，從而將后續(xù)輸送的主機全部信息進行接收。若不符，則SM2的數(shù)值依舊為1，不理睬主機后續(xù)輸送的數(shù)據(jù)，一直到新地址幀的發(fā)送。第四，如果從機結(jié)束對數(shù)據(jù)發(fā)送，將一幀校驗和發(fā)送，并置第9位為1，由此來標志從機結(jié)束數(shù)據(jù)輸送。第五，對數(shù)據(jù)進行接收期間，主機對于數(shù)據(jù)結(jié)束標志(RB8)會進行判斷，如果其數(shù)值為1，意味著結(jié)束了數(shù)據(jù)傳送。此外，對這一幀的校驗和進行對比，如果是正確的，則將正確的信號OOH回送，使這一從機復位。如果校驗和有一定差錯，那么將OFFH發(fā)送，使這一從機對此數(shù)據(jù)重新發(fā)送。如果接受幀的數(shù)值為0，那么原始數(shù)據(jù)將會至緩沖區(qū)內(nèi)，且做好對下幀信息的接收準備。第六，如果主機將數(shù)據(jù)發(fā)送至從機，在第三步，從機對比地址證實其相契合，則從機會使SM2的數(shù)值為0，此外發(fā)送本站地址至主機。主機發(fā)送的數(shù)據(jù)僅在作為應答后才可接收。對于地址(SM2=1)，其他從機會繼續(xù)監(jiān)聽，此時不能夠?qū)?shù)據(jù)接收。第七，從機應答地址接收之后，主機會就地址正確性進行確認。若正確，那么清TB8，數(shù)據(jù)開始輸送。不正確則會將復位信號(數(shù)據(jù)幀中TB8=1)發(fā)送出去。第八，將復位命令接收之后，從機將會回歸至監(jiān)聽地址狀態(tài)(SM2=1)，與此相反則會對數(shù)據(jù)、命令進行接收。

2.4 軟件設計

軟件最終確定的編程語言是C語言，由于程序具有可一致性，且便于后續(xù)調(diào)試、功能升級，最終確定模塊化程序設計方案，圖4為程序具體的流程圖。軟件涵蓋兩部分內(nèi)容，即主控制器、通道控制器。

圖4 主控制器軟件流程圖Fig.4 The main controller software flow chart

主控制器對各通道報警狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)進行顯示，修改并儲存不同通道的預設參數(shù)。通道控制器軟件基于對單片機內(nèi)部計數(shù)器的控制來采集、處理數(shù)據(jù)信息，對其進行轉(zhuǎn)化，基于數(shù)據(jù)結(jié)果展開輸出控制活動。

圖5 各通道控制器軟件流程圖Fig.5 The channel controller software flow chart

3 結(jié)語

本課題設計系統(tǒng)同時對多CPU設計思想、微處理器對信號的數(shù)字化處理技術(shù)等進行運用，依托抗干擾鑒別技術(shù)，系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，體現(xiàn)在精確的測量、較快的反應時間及較強的抗干擾能力，數(shù)字標定、較高的測量靈敏度等方面，且若檢測點區(qū)域，其輻射強度為75 uR/h物位，可順利開展工作。此外，安裝便捷，提供掉電保護的功能。一般集中控制、多點檢測的工業(yè)現(xiàn)場多運用此系統(tǒng)，僅需通過少量儀器儀表即可實現(xiàn)高密度物位的集約化控制，其運用前景非常理想。

[1] 馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機的c語言應用程序設計[M]．北京：航空航天大學出版社，1999.

[2] 姜志海，趙艷雷．單片機的c語言設計程序設計與應用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] ATMEL 89C52 用戶手冊[K]. Atmel Corporation，2010.

Microprocessor-based master-slave multi-core level monitoring system

XU Chao1, LUO Xiang-dong2

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China; 2. Technical Physics Institute of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

This paper introduces a number of multi-microprocessor based master-slave types of nuclear material level monitoring system. Description of the measuring principle was summarized from external architecture, hardware circuits, software programming and communication protocols. The system has achieved good effects and has applied in many power plants.

Master-slave mode; Nuclear material level; Parallel processing; Multiple microprocessors

2017-03-20

許超(1985-) ，男 ，碩士，助理會計師。

TP274

A

1674-8646(2017)08-0174-03