基于核测信号的模拟量输入卡件设计

时间：2024-07-28

王诺，胡立生

0 引言

随着我国经济的迅猛发展，能源消耗日益增多，能源供应日趋紧张，开发新能源已成为我国继续保持又好又快发展势头的必然要求，核动力发电的优势正逐渐显露出来。

反应堆是核电站的关键，一旦出现故障，将会给人们的生活和生命财产带来极大的威胁。核反应堆是通过核裂变而产生热量的，所以经常借助于观察与核裂变过程相联系的“辐射”来测量核反应堆的功率水平。反应堆的功率应该通过探测瞬发裂变的辐射来测量。反应堆功率的测量技术就是建立在探测中子、γ射线,或两者同时探测的基础上的。

核辐射探测器的主要作用是把进入探测器灵敏区域的核辐射转变成为信号处理设备能够觉察出来的信号，如电信号、光信号、声信号、热信号等。为运行人员，调节系统和保护系统提供数据和信号。在核工程和核技术应用中用得最多的三类探测器是气体探测器，半导体探测器，闪烁探测器等，无论是哪种探测器，其输出信号均为电压脉冲信号或电流信号[1-2]。

核辐射探测器将所测相关模拟信号送出后，需要卡件对其输出信号进行甄别处理，把这些模拟信号经过数据调理、信号倍增、A/D转换后得到控制卡所能识别和处理的数字信号，这就要求所设计的模拟量输入组件，必须能够满足安全仪控系统的要求，能够将这些模拟量准确及时的转化成相应的数字信号，送入控制卡进行处理。

1 模拟量输入卡件设计

本文介绍一个可实现这些功能的模拟量输入量处理卡件（以下简称AI卡）。

在参考相关卡件[3]的基础上，该卡件的具体技术要求如下：

[1] 模拟部分供电电压为24V，数字部分供电电压为5V，模拟部分与数字部分应相互隔离；

[2] 输入信号是电压和/或电流的绝对信号或差分信号，信号范围有0－10V、0－500mV、0－50mV、0－20mA和/或±10V、±500mV、±50mV、±20mA；

[3] 输入信号共有8路。

[5] 将从核辐射探测器送来的模拟信号转化为相应的数字信号，并根据控制卡要求的地址将存储数据送出。

针对这些要求，我们的设计方案如下：

1.1 AI卡硬件设计介绍

整个AI卡硬件设计分为模拟部分和数字部分，为了减少模拟信号和数字信号之间的干扰，数字部分和模拟部分要利用光隔相互隔离，具体结构如图1所示：

图1 AI卡硬件结构图

1) 模拟部分

模拟部分完成信号调理，信号放大，通道选择和模数转换的工作。

模拟部分所用芯片均采用5V供电。而整个核电保护仪控系统是外部24V供电，故要有电源转换芯片，将24V电压降为5V。我们选择SUS32405电源转换器。该转换器具有起动时间短，有过流保护装置，低纹波，尺寸较小等特点，适合于本卡件的电路功能和电路布局。

信号调理的工作通过精密电阻来完成。因为输入信号可能有不同量程，既有可能是电压信号，也有可能是电流信号，且电压信号又有不同量程，若0～10V电压不做调理直接进入后续电路，则要超出后续电路测量范围，故要先把 0～10V电压通过电阻分压降到 0～50mV；同时由于后续电路芯片均只能识别电压信号，所以要将电流信号经过精密电阻转换成相应的电压信号。

信号放大是因为能够精确转换mV级信号且价格适宜的A/D转换芯片很少，故0～50mV，0～500mV信号在进入A/D之前，都将其放大到0～5V范围，以适应A/D转换芯片的最佳工作量程。故AI卡采用两级放大，前置放大器由INA2128构成，后置放大器由PGA103构成。INA2128具有可有效放大小信号（mV级），低失调电压，低漂移，低输入漂流，高共模抑制比，宽通带，输入过压保护，宽电源电压范围，低静态电流等特点，其放大倍数可调，可通过其外接电阻来改变放大倍数，可用一个外部电阻方便地从1到10000设定增益。而PGA103是可编程放大器，可以有1，10，100三种放大倍数，可以通过软件设定，将其放大倍数随时切换。两级放大电路的使用，可以保证信号进入A/D时处于A/D转换芯片的最佳转换范围内。

通道选择采用CD74HCT4051，该器件是八选一通道选择器，可根据编程设定来选择特定通道，然后将其数据送入后续电路。本卡件在采样时对其通道循环赋值，将各通道采样数据顺序送到A/D转换芯片中进行模数转换。

A/D转换芯片选用ICL7109，ICL7109是双重积分型A/D转换器。因为所设计系统将来目标应用于核电保护系统，故对测试信号的精度要求很高，所以必须选用高精度A/D，而积分型A/D与逐次逼近型A/D相比有精度优势，且ICL7109具有高精度，低噪声，低功耗，内藏基准电压源，价格便宜等特点，因此广泛应用于高精度测量场合。ICL7109采用5V供电，输出数字信号14位，其中数据位为12位，另有一位符号位和一位溢出标志位，可有效转换-5V～+5V的电压信号。

2) 数字部分

AI卡的数字部分围绕FPGA展开，FPGA作为模拟量输入卡件的核心单元，负责控制数据采集转换的数据存储控制和与控制卡的数据通信。

FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的 I／O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I／O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I／O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构（可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能[4]。

与单片机相比，FPGA运行速度快，管脚多,容易实现大规模系统，FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力，FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发。

综合以上考虑，AI卡选用FPGA构建控制器。具体选用Altera现场可编程逻辑门阵列FPGA器件Cyclone II系列的EP2C8Q208C芯片，该芯片可提供165,888 RAM bits的内存空间 ,具有138个用户I/O端口，其功能强大，可满足设计要求。

1.2 AI卡软件设计介绍

AI卡的软件设计是指 FPGA的内部程序设计。FPGA用VHDL进行编程，VHDL是一种用于电路设计的硬件语言。该语言功能强大，设计灵活，支持广泛，易于修改，其强大的系统硬件描述能力使其成为电子工程领域中的通用硬件描述语言[5]。

1) 软件设计思路

系统上电后，在FPGA接收到控制卡的发出的复位信号后，FPGA开始工作，首先读取系统开关设定值，判断信号的接入形式，信号类型及量程范围，根据设定信息，对各控制芯片发送相应控制信号，同时读取 A/D芯片输出数据信号，并将数据按照对应的通道存储在对应的存储空间，最后等待控制卡的数据请求。

当控制卡发送数据请求后，把寄存器中的存储值，即反应当前系统的各开关设定值送到总线上，再根据地址线上的地址请求，将对应地址空间上的存储数据送到总线上。供控制卡读取，完成数据传递工作。

2) 仿真验证

仿真信号设置如下：clk为时钟信号，它连接20M晶振，提供周期为50nS的时钟信号；PESP和BASP为控制卡发出的对AI卡件的控制信号，当PESP为高，BASP为低时，表示选中该卡件；K32_D是控制卡向FPGA读取数据的数据总线，为8位；K32_ADD是控制卡向FPGA读取数据的地址总线，为12位，其中高8位用于卡件寻址，即控制卡通过前8位来选中特定卡件，后四位用于片内寻址；rst为复位信号，低电平有效，当其为低电平时，控制卡不向总线输出数据，表现为高阻态；MEMR为控制卡读信号，为高时表示控制卡要从卡件读数据，如为低，则K32_D呈现高阻态；CD4051是FPGA发送给通道选择器的通道选中信号，由000-111分别选中八个不同通道；DI是A/D转换器连到FPGA的数据线，因为A/D转换器为12位，故DI也为12位。

将软件设计结果进行逻辑功能仿真验证，如图2所示。

图2 FPGA功能仿真图

该仿真是基于ALTERA的QUARTUS II软件开发平台进行的。在图中数据和地址均设置为十六进制，控制信号为二进制，ZZ表示高阻状态。我们设8个通道在第一次循环中依次采样到的数据是 0111H,0222H,0333H,0444H,0555H,0666H,0777H,0888H,然后在下一循环中采到的数据是0999H，0AAAH……；设该卡件在整个核电安全仪控系统中的地址占用空间为080H-08FH，依次存储8个通道的数据，每个通道占用两个内存字节，其中高4位数据存在高字节，低八位数据存在低字节；

通过仿真结果我们看到在BASP，PESP，RST，MEMR均满足要求时，且K32_ADD选中本卡件时，K32_D能够准确向控制卡传送数据，且当A/D采样值改变时，存储在FPGA空间内的值也相应改变，所以向控制卡传送的数据也做相应更新，保证了数据的实时准确性。证明了程序的正确性和实用性。