新型液面智能实时监控系统的设计

滕宇超，郑小海,2，王麒龙

(1.西京学院 理学院，陕西 西安 710123；2.西京学院 理学院 陕西省可控中子源工程技术研究中心，陕西 西安 710123)

0 引言

目前，液面监控装置均为基于单片机的接触式液面监控装置，通过固定频率进行采样，新采集的数据不断与旧数据进行对比来识别液面位置[1]。接触式液面位置监控长时间运行存在很多安全隐患：(1)接触式为人为控制，并不是真正的智能控制。(2)单片机的单核计算能力对于大量的数字信号计算而言，会显得力不从心，整个系统的资源得不到最佳的利用。(3)单片机的抗干扰能力不强，在高精度高性能液面监控作业时会丢失数据。为此，本课题设计了一套基于中子透射的液面智能实时监控系统，具有非人为自动控制、实时监测、精准显示物料液位等功能，能够替代人工填料的工作方式，对该行业的发展以及液面测量计技术的发展具有重要意义。

1 DSP+FPGA控制器原理

作为主处理器的TMS320F28335属于TI公司的C2000系列(DSP28335)，具有高达150 MHz的主频[2]，芯片内部有增强型ePWM模块，可以输出多达18路的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信号。作为协处理器的EP4CE10F17C8片上集成了4个PLL时钟管理单元、18×18硬件乘法器、10320逻辑处理单元、高达179个通用I/O口，便于后期功能拓展。为了实现高精度、高性能的液面监控，保证系统的稳定性以及可靠性，本团队改进了单片机控制方式，引入了DSP+FPGA协同控制器。相比于单片机控制，该方案具有移动速度稳定、控制性能优异、工作效率高等特点。基于DSP+FPGA的液面智能实时监控系统原理如图1所示。

图1 液面智能实时监控系统原理

2 实时监控系统工作原理

在电场作用下，D-D可控中子管将氘原子激发产生的等离子气体去轰击氘-钛靶心，激发核反应，产生14 MeV快中子束。由于两边为特殊材料构成的屏蔽体，中子束经过屏蔽体的遮挡，约束中子束沿着预期的方向射出，但是单准直器缺点在于只能一侧准直，不能进行高精度位置测量。因此，采用双准直测量系统，D-D中子管中子源取代化学中子源，优点是两侧同时准直，一侧发射中子束，一侧进行接收，可降低容器壁、发动机壳体等环境因素的影响，提高测量精度[3]。

中子束穿过化学药剂时，会慢慢开始衰减；没有穿过化学药剂时，中子数量不会发生变化。由此，在交流伺服驱动器未接到控制信号之前，系统开始时为自检状态，如系统部件出现故障会发出报警信号；当仓体开始注入化学药剂后，由于可控中子源发出中子束经过双准直启动信号后，交流伺服电机带动探测器接受通过双准直测量系统的中子束，并由AD9226数据采集板进行计数信号采集，通过FPGA控制器进行信号处理，并转化为模拟量传送给DSP 28335，DSP 28335开始与探测器到达液面位置之前探测器采集的数据进行对比，以判断液面的具体位置。

3 液面实时监控系统设计

3.1 总体设计

为了改进由于单片机本身资源不足导致控制精度不高、系统不稳定等缺陷，并充分考虑整个系统控制精度高、数据采集量大等特点，基于DSP+FPGA液面智能实时监控系统采用了双核系统设计，为了资源的充分利用，对DSP28335和FPGA进行了分工，把交流伺服电机控制交给了DSP28335，充分发挥DSP28335在电机控制领域高性能、高精度的优势，而3He探测器的数据采集部分以及DSP通信交给FPGA处理。DSP和FPGA也可以互相通信，进行资源数据的交换和调用。

3.2 硬件电路设计

3He探测器数据采集电路主要芯片为AD9480，探测器产生的脉冲数据经过光电倍增管转转化为电压信。3He中子探测器输出电压为2 ～3 mV，而AD9480的输入电压为(±300) mV，因此，电压信号经过信号调理电路滤波放大到100倍，能够使AD9480数据采集系统接收到的电压范围。

3.3 软件电路设计

FPGA+DSP液面智能实时监控系统遵循自顶向下的设计流程数据。采集软件与处理部分采用Labview进行设计。数据采集软件主要实现3He探测器对中子计数的实时采集、显示以及数据存储功能，并可根据需要设置采样率、采样数、存储段数等参数。

4 结语

本系统利用FPGA+DSP的双核心优势，使用双准直方法来测量液面位置的方案是可行的，该方案相比于超声波与传统测量方式，更加快速、便捷，减少了噪声干扰，大大提高了测量速度，对于开发新型双准直液面智能实时监控系统提供了有益的参考和依据。