顧中祥

摘要：根據(jù)換料機(jī)的特點(diǎn)，研發(fā)了一種運(yùn)用分布式控制系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 CAN 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)間的參數(shù)分布式傳輸；通過(guò)視頻分配和切換模塊實(shí)現(xiàn)耐輻射視頻多端輸出；系統(tǒng)設(shè)計(jì)視頻格式轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和參數(shù)測(cè)試，系統(tǒng)傳輸控制參數(shù)具有實(shí)時(shí)性，誤碼率低；視 頻傳輸有損耗低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：換料機(jī)；攝像系統(tǒng)；CAN 總線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2017）09-266-02

Abstract：accordingtothecharacteristicsoftherefuelingmachine，developedacamerasystemusing adistributedcontrolsystem.ThesystemusesCAN busto re- alizethedistributedparametertransmissionofmultiplecontrolnodes；throughvideodistributionandswitchingmoduleofradiationresistantvideooutputterminal； systemdesignofvideoformatconversionmoduletorealizeremotemonitoringthroughthefieldapplicationandtheparameters.Testsystem，transmissioncontrol parameters with real-time， low error rate； video transmission with low loss， highreliability.

Key words： feeder； camera system； can bus

前言

核安全是核電工業(yè)發(fā)展的先決條件。作為大型壓水堆核電機(jī)組的核燃料運(yùn)輸和儲(chǔ)存系統(tǒng)的核心設(shè)備，核燃料換料機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性至關(guān)重要。換料機(jī)的任何故障都會(huì)有核燃料組件變形甚至放射性物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。目前換料機(jī)主要進(jìn)口于美國(guó)的西屋公司和法國(guó)的REEL，存在維修效率低的問(wèn)題。為提高核工業(yè)的自主水平，在國(guó)家資金的支持下，換料機(jī)正逐漸本土化。攝像機(jī)作為換料機(jī)的關(guān)鍵部件之一，可為操作人員提 供可靠，穩(wěn)定，低損耗的視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)換料機(jī)安全交互操作。本文設(shè)計(jì)并 實(shí)現(xiàn)了一套分布式控制的攝像系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程模式下的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換，傳輸和參數(shù)控制功能。分布式控制采用高可靠性，實(shí)時(shí)性，反單點(diǎn) 故障的 CAN 總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的通信。在信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸功能上實(shí)現(xiàn)了視頻分配，視頻切換和同軸差分轉(zhuǎn)換的方式。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用效果。[1]

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換料機(jī)攝像系統(tǒng)由三個(gè)攝像單元組成，攝像單元可以在水下工作，并具有抵御輻射的功能。為了減少操作者的被照射量，攝像機(jī)單元工作在水 下輻射區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)和遙控單元都處于非輻射區(qū)域，兩者都由水下輻射阻抗電纜連接。

控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)相應(yīng)的攝像機(jī)單元的單獨(dú)控制?？紤]到控制單元的便攜性和系統(tǒng)的測(cè)量功能，系統(tǒng)需要增加手持設(shè)備和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)攝像機(jī)單元的信號(hào)接收與參數(shù)控制。除了攝像機(jī) 單元和控制器采用串行一對(duì)一的通訊外，其他節(jié)點(diǎn)都采用 CAN 總線(xiàn)技術(shù)。同時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作區(qū)域的痕跡輻射的存在，應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間且不需要到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的任務(wù)，遠(yuǎn)程控制模塊的加入是必要的，通過(guò) 201 米的總線(xiàn)距離隔離，確保工作人員遠(yuǎn)離可能的輻射危害。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器配置?？刂破髋渲没?SiliconLab 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行 MCU 初

始化。在系統(tǒng)執(zhí)行主循環(huán)之前，需要完成 UART、CAN、定時(shí)器、I/O 端口、時(shí)鐘等的設(shè)置。系統(tǒng)時(shí)鐘選擇內(nèi)部 24MHz 時(shí)鐘源；I/O 端口設(shè)置功能：將通用 I/O 端口P04 和P05 映射為UART 端口，將 P06 和P07 映射為CAN 接口，將數(shù)字輸出端口映射為推挽輸出，其他數(shù)字端口設(shè)置為漏極開(kāi)路，最終運(yùn)用 I/O 端口的交叉開(kāi)關(guān)；定時(shí)器被設(shè)置為以 8 位自動(dòng)加載模式運(yùn)行，并為程序中涉及的延遲提供參考；UART 設(shè)置包括波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及奇偶校驗(yàn)等。系統(tǒng)使用基于預(yù)分頻器時(shí)鐘的 16 位自動(dòng)加載定時(shí)器產(chǎn)生 9600 位/ 秒的波特率。默認(rèn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是 8 位。CAN 單元初始化相對(duì)復(fù)雜，包括控制，位時(shí)鐘，信息控制和仲裁等寄存器設(shè)置。系統(tǒng)初始化步驟如下：將 SFRPAGE 寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE；控制寄存器CAN0CN中的INIT，CCE和各種中斷使能位置高，允許CAN初始化；以系統(tǒng)時(shí)鐘作為基準(zhǔn)，將其設(shè)置為0x7EC9，即

100Kbit/s；接著初始化發(fā)送和接收消息對(duì)象，設(shè)置 MsgVal 為 MsgVal 和讀/ 寫(xiě)

狀態(tài)。最后，清零CCE和INIT位，CAN單元恢復(fù)正常工作。[2]

2.2 CAN 模塊操作。本節(jié)主要介紹 CAN 控制器的發(fā)送和接收工作流程。對(duì)于發(fā)送的消息，部分發(fā)送函數(shù)完成，另一部分需要在中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。發(fā)送函數(shù)先設(shè)置 SFRPAGE 寄存器，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器

CAN0IFxDA，然后設(shè)置CAN0IFxCM發(fā)送的字節(jié)數(shù)和發(fā)送使能，最后開(kāi)始發(fā)送請(qǐng)求到中斷處理。中斷函數(shù)首先讀取狀態(tài)寄存器的 CAN0STAT 和

Interrupt 類(lèi)型寄存器中的 CAN0IID 內(nèi)容，然后清除中斷標(biāo)志，最后通過(guò)狀態(tài)寄存器判斷待處理數(shù)據(jù)輸出的完成情況。CAN 控制器收到的消息自動(dòng)完成，成功收到新消息后，收到消息設(shè)置標(biāo)志并進(jìn)入中斷功能。在中斷函數(shù)中，接收過(guò)程與發(fā)送類(lèi)似，首先得到狀態(tài)寄存器和類(lèi)型寄存器的內(nèi)容， 然后清除中斷標(biāo)志，最后通過(guò)狀態(tài)和中斷類(lèi)型寄存器的判斷，將有效的 3 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存入緩存陣列。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 控制參數(shù)傳輸測(cè)試?？刂茀?shù)傳輸測(cè)試主要針對(duì) CAN 總線(xiàn)。主機(jī)采用 USB-CAN-Ⅱ智能 PCI 型CAN 接口卡PCI-9810I 作為載體發(fā)送數(shù)據(jù)包，手持設(shè)備作為 CAN 發(fā)送節(jié)點(diǎn)也發(fā)送控制參數(shù)，每個(gè)控制器通過(guò)接收節(jié)點(diǎn) CAN 控制參數(shù)獲取。通過(guò)參數(shù)傳輸?shù)恼`碼率來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性，其中攝像機(jī)單元接收到的指令由 CAN 控制器對(duì) CAN 數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，然后通過(guò)UART編碼進(jìn)行發(fā)送。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CAN網(wǎng)絡(luò)能夠以

100Kbit/s 的速率與 UART 串行傳輸 8 個(gè)小時(shí)以上的無(wú)差錯(cuò)控制命令。

3.2 視頻傳輸性能測(cè)試系統(tǒng)。原視頻到終端包含多個(gè)視頻格式轉(zhuǎn)換模塊，視頻丟失主要是由這些方面引起的。該測(cè)試將格式轉(zhuǎn)換引入的損耗轉(zhuǎn) 換為雙絞線(xiàn)傳輸?shù)牡刃?，即系統(tǒng)測(cè)試雙絞線(xiàn)傳輸前后的視頻信噪比表征系統(tǒng)視頻傳輸性能。由于 200 米雙絞線(xiàn)造成的視頻丟失在理論上是系統(tǒng)中最大的，因此系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程 IPC 分別配備由于 200 米雙絞線(xiàn)造成的視頻丟失在理論上是系統(tǒng)中最大的，因此系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程 IPC 分別配備圖像采集卡 DS-4004HC 的方式，并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期傳輸后對(duì)視頻進(jìn)行采集和分析。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套可應(yīng)用于換料機(jī)的基于 CAN 總線(xiàn)的攝像系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)，。它具有視頻格式轉(zhuǎn)換，視頻信號(hào)傳輸，控制參數(shù)傳輸 和多主控節(jié)點(diǎn)的功能。該系統(tǒng)在控制參數(shù)傳輸測(cè)試中有良好的實(shí)時(shí)性和低誤碼率。在視頻傳輸測(cè)試中有損耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前，攝像系統(tǒng) 已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)換料機(jī)，并獲得了專(zhuān)家的認(rèn)可，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙阿鵬，李元昊，吳鳳岐等.基于二三維陣列換料機(jī)換料機(jī)計(jì)數(shù)法

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[2]穆朝暉，李衛(wèi)東，劉饒.基于雙網(wǎng)的核燃料換料機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 控制工程，2014，21（5）：64-97.