崔 璨,鄧 圣,代航陽,付國恩

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610041)

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基于嵌入式計算機的核測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

崔 璨,鄧 圣,代航陽,付國恩

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610041)

嵌入式系統(tǒng)以功能專一、集成度高、可靠性高、功耗低等優(yōu)點，在核測量領(lǐng)域方面有著巨大的應(yīng)用前景；設(shè)計基于嵌入式計算機PCM-3343核測量系統(tǒng)具有模擬信號采集、脈沖信號采集、開關(guān)量信號采集、模擬輸出、開關(guān)量信號輸出等功能，以觸摸屏、液晶屏、鍵盤鼠標(biāo)作為人機交互接口；根據(jù)功能要求，硬件上設(shè)計了基于PC104總線的具有相應(yīng)功能電路模塊,軟件方面設(shè)計了基于FPGA的功能模塊、基于Windows CE 6.0的嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序和基于迪文觸摸屏的軟件界面；該系統(tǒng)在核電廠硼濃度計、反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字反應(yīng)性儀等設(shè)備上均有良好應(yīng)用。

嵌入式計算機；核測系統(tǒng)；觸摸屏

0 引言

當(dāng)前，以個人計算機、工控機、工作站等為控制核心的數(shù)字化核測量系統(tǒng)已非常成熟與普遍，如數(shù)字化反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、核電站硼濃度計、數(shù)字反應(yīng)性儀、多道中子注量率分布測量系統(tǒng)等等。但是由于此類計算機本身體積較大，操作需配置鍵盤鼠標(biāo)，在小型化、便攜式方面略顯不足。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)非常緊密的融入我們的生活，如我們現(xiàn)在使用的智能手機、平板電腦、車載導(dǎo)航、ATM等等。其功能專一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特點，已經(jīng)逐漸替代了以個人計算機、工控機等為核心的系統(tǒng)。

本文介紹了以嵌入式計算機PCM-3343為基礎(chǔ)搭建的數(shù)字化核測量平臺，以觸摸屏作為人機交互接口，通過PC104總線擴(kuò)展不同功能的模塊，以實現(xiàn)功能各異的核測設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

核測系統(tǒng)根據(jù)核探測器的不同，基本可分為直流型和脈沖型。本文設(shè)計的核測系統(tǒng)主要針對這兩種類型的信號。如圖1所示，嵌入式計算機搭載在擴(kuò)展電路板上設(shè)計成獨立的模塊，擴(kuò)展計算機本身的功能和接口。模擬信號采集電路、脈沖信號采集、預(yù)處理電路(放大、整形、甄別、隔離等)、開關(guān)量信號采集電路、模擬輸出電路、開關(guān)量輸出電路等也設(shè)計成獨立模塊的形式，由FPGA實現(xiàn)PC104總線譯碼，并通過PC104總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機交互接口可采用觸摸屏方式或者液晶顯示器及鍵盤鼠標(biāo)的方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

2 硬件設(shè)計

2.1 嵌入式計算機

本系統(tǒng)的核心為嵌入式計算機PCM-3343，該板卡是基于PC104總線設(shè)計的，其基本配置： CPU為Vortex86DX -1 GHz，256 MB板載DDR2內(nèi)存；接口包括4個USB接口，1個SPI接口、1個I2C接口、3個RS232接口，1個RS485接口，2個以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)口等；支持CRT和LCD顯示。

2.2 觸摸屏

本設(shè)計可采用觸摸屏作為人機交互接口，減少了鼠標(biāo)鍵盤等外圍設(shè)備。觸摸屏采用北京迪文科技有限公司的8英寸顯示屏DMT80600T080_07W，嵌入式計算機通過RS232串口驅(qū)動觸摸屏顯示，主要完成軟件系統(tǒng)界面及相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，參數(shù)的觸摸設(shè)置與修改，其主要技術(shù)參數(shù)為：

1)分辨率：800600(4:3)；

2)工作電壓：5～15 V；

3)工作電流：350 mA@12 V。

2.3 模擬信號采集

模擬信號采集包括電壓信號、小電流信號。電壓信號通過電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗匹配，輸入到A/D轉(zhuǎn)換芯片，并采用多路開關(guān)切換實現(xiàn)多通道測量，A/D轉(zhuǎn)換芯片和多路開關(guān)的時序由FPGA控制，圖2為8通道模擬采集電路示意圖。對于大電流信號(如4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流)可采用高精度取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后采集；對于小電流信號需設(shè)計小電流放大器，轉(zhuǎn)換為電壓后采集，而小電流放大器檔位控制由FPGA實現(xiàn)。

圖2 8通道模擬采集電路示意圖

2.4 脈沖信號采集

計數(shù)管輸出的微弱的脈沖信號，經(jīng)前放、主放放大、甄別、整形處理后的脈沖信號采用光電隔離，一般采用6N137，隔離后的信號輸入到FPGA內(nèi)，在FPGA內(nèi)設(shè)計計數(shù)器實現(xiàn)脈沖信號采集。

2.5 開關(guān)量信號采集

對于有源開關(guān)量，隔離原理與脈沖信號采集電路相同，隔離后的信號輸入到FPGA內(nèi)；對于無源開關(guān)量，需增加一個隔離激勵電源，轉(zhuǎn)換為有源開關(guān)量后，進(jìn)行采集。

2.6 模擬信號輸出

模擬輸出信號為電壓信號或電流信號，電壓信號由FPGA控制DA輸出，DA輸出的信號需增加跟隨器以實現(xiàn)阻抗匹配；電流信號一般為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號，可采用4～20 mA變送芯片，如AD694，將DA輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。

2.7 開關(guān)量信號輸出

對于通道較少的開關(guān)量輸出，可采用三極管驅(qū)動輸出；對于通道較多的開關(guān)量輸出，由于FPGA的IO資源有限，F(xiàn)PGA輸出串行數(shù)據(jù)，經(jīng)隔離后，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后驅(qū)動繼電器、光耦開關(guān)等輸出。

2.8 通訊接口

嵌入式計算機本身提供了較為豐富的通訊接口，基本上可以滿足我們設(shè)計使用需要，但是對于某些對通訊功能要求較多的設(shè)備，有必要增加更多的接口。

考慮到FPGA較為豐富的IO口和配置的靈活性，通過Verilog HDL語言在FPGA內(nèi)部設(shè)計各種通訊接口模塊：如RS485接口[2]、RS232接口[3]、CAN總線接口[4]、SPI總線接口、I2C總線接口、USB接口等,各通訊接口通過PC104總線與嵌入式計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用這種由FPGA實現(xiàn)各種接口的方法使FPGA外圍器件大大減少，可根據(jù)需要進(jìn)行增加和剪裁，使設(shè)計和使用更加靈活。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括基于FPGA的功能模塊設(shè)計、基于WinCE的嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)和基于迪文觸摸屏的軟件界面開發(fā)。

3.1 功能模塊

功能模塊是運行于FPGA內(nèi)部根據(jù)用戶定義得到，采用Verilog或HDL語言編寫，包括：PC104接口模塊、AD采樣時序控制模塊、DA輸出時序控制模塊、定時計數(shù)器模塊、開關(guān)量輸入輸出控制模塊、通訊接口模塊等。各功能模塊單獨設(shè)計和仿真，根據(jù)設(shè)計需要進(jìn)行各模塊組合和整體仿真。

3.2 應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序設(shè)計分為操作平臺的開發(fā)和數(shù)據(jù)計算與控制程序設(shè)計。

數(shù)據(jù)計算與控制程序運行在Windows CE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)平臺上，該系統(tǒng)平臺具有可靠性好、實時性高、內(nèi)核體積小的特點，特別適合于PC104嵌入式計算機操作系統(tǒng)平臺的搭建。操作系統(tǒng)由Windows CE軟件工具來完成定制，操作系統(tǒng)平臺開發(fā)是一個遞歸開發(fā)過程，主要包括以下步驟：

1)硬件平臺特定BSP包安裝：安裝特定于PCM-3343硬件平臺的BSP包；

2)操作系統(tǒng)平臺搭建：創(chuàng)建一個能在PCM-3343嵌入式計算機上運行的Windows CE操作系統(tǒng)內(nèi)核，驅(qū)動PCM-3343系統(tǒng)所有硬件，并對操作系統(tǒng)特征和軟件功能進(jìn)行精確定制；

3)操作系統(tǒng)下載與調(diào)試：操作系統(tǒng)搭建完成以后需要下載到目標(biāo)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，主要包括：建立目標(biāo)設(shè)備與開發(fā)機的連接、配置目標(biāo)設(shè)備連接性選項、操作系統(tǒng)的下載與運行、操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)試等。

4)SDK的導(dǎo)出：創(chuàng)建一個基于本操作系統(tǒng)設(shè)計的SDK，主要用于在特定操作系統(tǒng)下的應(yīng)用程序開發(fā)。

數(shù)據(jù)計算與控制程序設(shè)計采用Visual Studio 2005進(jìn)行開發(fā)，若采用觸摸屏作為人機交互接口，可不設(shè)計軟件界面。主要的功能應(yīng)包括：與觸摸屏通過RS232接口通訊、與PC104總線通訊、電壓或電流采集處理計算、開關(guān)量采集、脈沖信號定時計數(shù)、電壓或電流計算輸出、開關(guān)量輸出控制等。

基于Windows CE 6.0平臺的數(shù)據(jù)計算與控制程序針對RS232串口通訊調(diào)用了串口通訊函數(shù)。這些函數(shù)對串口進(jìn)行配置和讀寫，包括：GreatFile、CloseFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile等。通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式定義詳見表1。

表1 迪文DGUS屏串口數(shù)據(jù)幀格式

電壓或電流采集處理計算、開關(guān)量采集、脈沖信號定時計數(shù)、電壓或電流計算輸出、開關(guān)量輸出控制等的數(shù)據(jù)都是通過PC104總線完成，數(shù)據(jù)計算與控制程序針對PC104總線通訊調(diào)用了IO操作函數(shù)，IO操作函數(shù)包括：READ_PORT_UCHAR和WRITE_PORT_UCHAR分別讀寫相應(yīng)地址(基地址+偏移地址)數(shù)據(jù)。

3.3 人機界面

軟件界面采用迪文DGUS觸摸屏配置軟件進(jìn)行開發(fā)，并采用RS232串口通訊的模式與嵌入式計算機進(jìn)行通訊。人機界面的開發(fā)主要分為參數(shù)配置、界面設(shè)計和通訊協(xié)議設(shè)計，生成的配置文件和圖片文件通過SD卡下載到迪文DGUS觸摸屏運行。

參數(shù)設(shè)置主要包括通訊參數(shù)設(shè)置(波特率設(shè)置、通信幀頭設(shè)置、幀校驗設(shè)置和串口自動上傳設(shè)置等)和顯示參數(shù)設(shè)置(屏幕分辨率設(shè)置、屏幕顯示方向設(shè)置和屏幕控制背光設(shè)置等)，以上參數(shù)設(shè)置完成以后輸出CONFIG.TXT文件。

界面設(shè)計是DGUS屏軟件設(shè)計的核心部分，主要分為界面圖片設(shè)計和界面配置兩部分。界面圖片設(shè)計完成人機界面的圖片、文字、顏色和結(jié)構(gòu)布局等重要元素的美工效果設(shè)計。界面圖片利用Photoshop(或者其它繪圖軟件)進(jìn)行設(shè)計，圖片必須是24位色的BMP格式。界面配置完成觸控配置和變量配置中的相關(guān)變量的定義。觸控配置為用戶可觸控操作的界面元素的設(shè)置，一般包括變量數(shù)據(jù)錄入、彈出菜單選擇、增量調(diào)節(jié)、拖動調(diào)節(jié)、文本錄入等；變量配置為需要界面顯示的變量的設(shè)置，一般包括圖標(biāo)變量、文本變量、圖形變量。

迪文DGUS觸摸屏與嵌入式計算機PCM-3343之間的數(shù)據(jù)交換通過RS232接口實現(xiàn)。 PCM-3343上的通訊程序按照表1串口數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行編程，PCM-3343對迪文觸摸屏的控制寄存器的訪問以字節(jié)為單位，對數(shù)據(jù)寄存器的訪問以字為單位，表2對兩種寄存器訪問做了說明。

表2 寄存器訪問說明

4 應(yīng)用

4.1 核電站硼濃度計

硼能有效的吸收中子，該設(shè)備通過測量中子源的計數(shù)率間接計算出硼濃度。巴基斯坦C2/C3/C4核電站硼濃度計測量裝置就是基于本文提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計，測量裝置包括計算機模塊、模擬輸入輸出模塊、隔離驅(qū)動模塊、高壓電源、脈沖放大模塊等。高壓電源為計數(shù)管提供工作高壓，計數(shù)管輸出的脈沖經(jīng)過脈沖放大模塊進(jìn)行放大、甄別、成形，計算機模塊對脈沖進(jìn)行定時計數(shù)，通過測得的計數(shù)率計算硼濃度。模擬輸入輸出模塊測量回路溫度值，對計算出的硼濃度進(jìn)行溫度修正，測量衰減后的高壓值、甄別閾值進(jìn)行顯示，同時將計算出的硼濃度值轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號輸出。硼濃度值低于報警閾值、硼濃度變化率低于報警閾值、系統(tǒng)工作參數(shù)不正確均會產(chǎn)生相應(yīng)的報警信號，隔離驅(qū)動模塊驅(qū)動繼電器產(chǎn)生報警觸點信號、驅(qū)動發(fā)光二極管產(chǎn)生報警光電指示。嵌入式計算機的RS232接口可連接本地計算機設(shè)備進(jìn)行硼濃度值、運行參數(shù)等的實時顯示；嵌入式計算機的RS485接口可連接遠(yuǎn)程顯示單元進(jìn)行硼濃度的顯示，同時可進(jìn)行硼濃度輸出類型選擇。

4.2 反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于PCI總線的工業(yè)控制計算機工作平臺為核心(包括工控機、數(shù)據(jù)采集卡、RS485通訊卡)，外圍配置信號預(yù)處理單元、3臺顯示器以及UPS電源等主要設(shè)備。該系統(tǒng)實時監(jiān)控來自反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)參數(shù)，為試驗人員提供反應(yīng)堆現(xiàn)場數(shù)據(jù)和物理分析[5]?？筛鶕?jù)本文設(shè)計的系統(tǒng)替代工控機、數(shù)據(jù)采集卡、RS485通訊卡等，設(shè)計嵌入式計算機模塊、信號預(yù)處理模塊、32通道的模擬采集模塊、72通道的開關(guān)量信號采集模塊、4通道脈沖信號采集模塊、4通道485通訊模塊，軟件為基于Windows CE 6.0的人機交互界面程序，功能包括運行狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)測、故障報警指示以及臨界外推計算等。

4.3 數(shù)字反應(yīng)性儀

中國核動力研究設(shè)計院設(shè)計的第二代改進(jìn)型便攜式數(shù)字化反應(yīng)性儀，由反應(yīng)性主機、電離室、筆記本電腦組成。其中反應(yīng)性主機包括小電流放大器、數(shù)據(jù)采集模塊、USB接口控制器、低壓電源和高壓電源組成[6]。設(shè)計模擬采集模塊、嵌入式計算機模塊替代數(shù)據(jù)采集模塊、USB接口控制器和筆記本電腦，同時采用觸摸屏作為人機交互接口。嵌入式計算機通過PC104總線對模擬采集模塊進(jìn)行時序控制和數(shù)據(jù)讀取，根據(jù)采集結(jié)果控制小電流放大器進(jìn)行檔位切換，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理，并通過RS232接口與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。模擬采集模塊設(shè)計單通道的模擬電壓信號采集，模塊內(nèi)集成的FPGA完成PC104總線譯碼和采集控制。小電流放大器模塊除了保留原有小電流放大電路外，PC104總線譯碼和小電流檔位控制由模塊內(nèi)的FPGA完成。觸摸屏界面可根據(jù)原有軟件進(jìn)行設(shè)計，功能上具有小反應(yīng)性實時跟蹤測量和可消除空間效應(yīng)的大反應(yīng)性的落棒法測量。

5 結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)具有功能專一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特點，在核測領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。本文根據(jù)核測系統(tǒng)的普遍要求，設(shè)計了基于嵌入式計算PCM-3343的核測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)實際需要進(jìn)行增加和剪裁，在核電廠硼濃度計、反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字化反應(yīng)性儀等設(shè)備上均有良好的應(yīng)用。

[1] 王福剛,楊文君,葛良全.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與展望[J].計算機測量與控制，2014,22(12):3843-3847.

[2] 梁士龍,王力男,楊嘉偉.用FPGA實現(xiàn)RS-485通信接口芯片[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002,24(4):103-106.

[3] 戴 彥,王誠意,孫 春.基于FPGA的RS232串行通信設(shè)計[J].唐山學(xué)院學(xué)報，2011,24(3):74-76.

[4] 張雨光,黃啟俊,常 勝.基于FPGA的CAN總線控制器設(shè)計[J].電子技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用,2011(5):34-36.

[5] 代航陽,鄧 圣,崔 璨.數(shù)字化反應(yīng)堆集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制[J].核動力工程,2013,34(2):56-59.

[6] 黃禮淵,付國恩,李 翔.反應(yīng)堆物理試驗用便攜式數(shù)字反應(yīng)性儀的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2010,30(5):638-641.

Design and Application of Nuclear Measurement System Based on Embedded Computer

Cui Can，Deng Sheng，Dai Hangyang，F(xiàn)u Guoen

(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Embedded system which has the merits of specifical function, high integration, high reliability and low consumption has huge application foreground in nuclear measurement field. Nuclear measurement system based on embedded computer PCM-3343 is designed with the functions of analog signal acquisition, pulse signal acquisition, on-off signal acquisition, analog output, on-off signal output, and it takes touch screen, LCD, keyboard and mouse as the interface of human-computer interaction. According to the function requirements, circuit modules based on PC104 bus, which have corresponding functions, are designed on the hardware side, function modules based on FPGA, application program based on Windows CE 6.0 embedded operating system, and interface software based on DW touch screen are designed on the software side. This system is well applied in boron meter for nuclear power plant, centralized data acquisition system for reactors, and digital reactivity meter.

embedded computer; nuclear measurement system; touch screen

2015-09-21；

2015-10-26。

崔 璨(1984-)，男，浙江寧波、碩士，助理研究員，主要從事核電子學(xué)工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0048-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.014

TL363

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