基于FPGA的數字化棒控技術研究

蔡晨

【摘 要】本文介紹了將FPGA（Field Programmable Gate Array現場可編程邏輯陣列）技術應用于反應堆棒控系統的概況。利用FPGA豐富的邏輯資源，編程的靈活性等特點來實現反應堆棒控系統的復雜邏輯電路，電路結構簡單明了，將大量復雜的邏輯電路集成到一塊FPGA芯片中，提高了系統的可靠性與穩定性，解決了原有模擬電路的很多固有缺陷，提高了系統的抗干擾性能，實現了設備數字化與小型化。

【關鍵詞】FPGA；DDS；棒控系統

Research on Reactor Rod Control Indicating System Based on FPGA

CAI Chen

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

【Abstract】A application of FPGA（Field Programmable Gate Array）in reactor rod control a indicating system is presented.To take advantage of plentiful logic elements and flexible programmable characteristic of FPGA， the complex logic circuits in reactor rod control and rod position indicating system are integrated in one FPGA chip.The application of FPGA eliminates the intrinsic defects of traditional analog integrated circuit and improves the reliability and stability of system.With simple circuit structure， the system has high anti-noise performance and characteristic of miniaturization.

【Key words】FPGA； DDS； Reactor rod control and Rod Position Indicating System

0 前言

隨著計算機技術的發展，反應堆儀控系統數字化將是必然的趨勢。反應堆棒控系統將充分發揮數字化設備的優勢，在設備研制過程中通過功能集成達到設備小型化，利用數字化技術提高設備的整體性能。

FPGA（Field Programmable Gate Array現場可編程邏輯陣列）是一種基于查找表結構的可編程邏輯器件，其配置靈活、功能強大、修改方便、可靠性高等優點成為數字信號處理的理想選擇。在各種高可靠性需求領域都已經有很廣泛的應用，如NASA（美國航空航天局）的火星偵察衛星（MRO）、火星探測登陸車（Mars Exploration Rover）勇氣號和機遇號等超過300個太空計劃中都使用了很多的FPGA芯片。可以使用FPGA的可編程邏輯資源實現復雜的算法。從可靠性來說，CPU本身的結構特點與軟件指令的工作方式決定了任何CPU都不可能獲得圓滿的容錯保障，而FPGA首先是純硬件電路構成，所以用FPGA實現控制邏輯能在一定程度上提高系統的可靠性。FPGA支持在線編程，可以很方便的修改設計，具有很好的靈活性。新一代的FPGA甚至集成了中央處理器（CPU）或數字處理器（DSP），在一片FPGA上進行軟硬件協同設計，同時FPGA大量的可配置I/O引腳和內部集成的大量雙端口RAM、FIFO和IP核，使它完全可以代替分立式的單片機和雙端口RAM，從而進一步解決分立式器件可靠性和電磁兼容性等方面的問題。

本文利用FPGA技術對棒控系統進行研究。采用FPGA的數字化棒控系統與傳統的采用分立式器件和模擬技術的棒控系統相比，測量精度更高，調試方便，易于修改，電路結構簡單明了，可擴展性好，設備體積將減小，且信息傳輸方便。

1 總體技術方案

1.1 設備功能

控制棒驅動系統（簡稱棒控系統）的主要功能是處理功率調節裝置的功率調節信號，處理保護裝置的緊急停堆信號，處理操作臺的控制信號，根據功率調節裝置和保護裝置的要求驅動控制棒驅動機構。棒控系統是反應堆儀表裝置中很重要的設備，必須有很高的可靠性，對邏輯電路的抗干擾能力，長時間穩定運行等能力要求非常嚴格，如果棒控系統不能正確處理控制指令或者由于自身原因誤發信號都將嚴重影響反應堆的正常運行，選用FPGA來實現棒控系統的邏輯可以在一定程度上提高系統的可靠性。

1.2 技術方案

功率調節裝置傳送的信號包含有一些模擬信號，這些模擬信號不能直接被棒控系統邏輯電路使用，需要外接的數據轉換器對數據進行處理，保護裝置的緊急停堆信號也需要進行電平轉換。所有轉換后的控制信號再經過棒控系統的邏輯電路處理，最后由棒控系統的邏輯電路產生驅動控制棒驅動機構的低頻信號，低頻信號經過大功率模塊放大成為大電流信號，從而驅動控制棒驅動機構。

棒控系統框圖如圖1所示。

圖1 棒控系統框圖

整個棒控系統分為七大模塊，其中高速A/D采樣、輸入信號隔離、輸出隔離驅動放大、驅動大功率模塊電路需要在FPGA外部實現，數據前端處理、控制信號處理與DDS系統、時鐘管理等模塊放在FPGA內實現。

基于FPGA的反應堆棒控系統主要包括數據采集模塊，數據轉換模塊，DDS核心模塊。數據采集模塊的功能是處理模擬信號，將模擬信號轉換為數字信號；數據轉換模塊的功能是對數據進行調整以及簡單邏輯處理；DDS核心模塊的功能是根據系統需要發出所需要的低頻信號。

1.3 關鍵技術及實現方法

1.3.1 數據采集及轉換

本系統是基于FPGA的棒控系統，但是FPGA本身不具有處理模擬信號的能力，所以需要外接A/D轉換器進行數據轉換，在FPGA內部使用一個狀態機實現對A/D轉換器的控制。FPGA通過內部PLL提供給A/D轉換器工作時鐘，并且將A/D轉換的數據存儲到內部FIFO中。

從功率調節裝置輸送過來的信號、保護裝置傳送過來的信號、控制臺傳送過來的信號經過硬件處理以后，還需要在FPGA內部經過一系列邏輯處理轉換才能形成控制信號。如A/D轉換的數據需要進行線性限幅調整，調整后的數據再提供給后面的模塊使用。

為了提高系統的可靠性還對某些關鍵信號進行數字濾波處理。由于該系統工作在惡劣的電磁環境中，開關的抖動、電磁干擾等原因都可能在控制信號中疊加上一些噪聲信號；以往的經驗是在控制信號中有高頻噪聲的引入，所以對關鍵控制信號采取數字低通濾波等措施是很重要的。由于在芯片內采用濾波，這樣濾波后的信號在芯片內傳輸避免了二次污染。

1.3.2 DDS技術

基于FPGA的棒控系統核心依靠DDS（直接數字頻率合成）技術，采用DDS原理的優點在于輸出信號頻率與頻率控制字的線性關系較好，且受溫度影響很小，同步性能好。市面上的專用DDS芯片工作頻率都很高，由于棒控系統輸出的頻率要求比較低，不適合選用專用的DDS芯片來實現，而且除了DDS以外還需要很多數據轉換和控制電路，所以本系統選用FPGA來實現。DDS原理如圖2所示。

圖2 DDS原理

N位頻率控制字接在M位累加器的一個輸入端，這里N

1.3.3 信息傳輸技術

隨著計算機及電子技術的發展，各種系統之間和系統內部進行通訊的數據越來越多，采用硬連線的傳統數據傳輸技術已無法完全滿足其應用需求，因此，各種總線傳輸技術應運而生。而其中的CAN總線作為一種成熟、高可靠性、高速的總線技術在各種領域得到了廣泛應用。

CAN（Controller Area Network）總線，即控制器局域網是國際上應用最廣泛的現場總線之一。CAN總線是一種多主機方式的串行通訊總線，具有自動優先度仲裁、自動錯誤識別、抗干擾能力強等特性，可以提供可靠高速的數據傳輸，其最高傳輸速率可達1Mbps。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應用到各個自動化控制系統中，如汽車、制造業、航空工業等。

傳統的CAN總線新產品實現通常采用兩種方案：第一種方案為單片機+獨立的CAN控制器+獨立的CAN收發器；第二種方案為內置CAN控制器的單片機+獨立的CAN收發器。由于本系統以FPGA技術為基礎平臺，因此可采用類似的方案：FPGA+獨立的CAN控制器+獨立的CAN收發器。其中CAN控制器采用SJA1000，CAN收發器采用TJA1050。

為提供良好的可擴展性，本系統中設計了四路CAN，可實現冗余的CAN網關的功能，如圖3所示。

2 試驗驗證

將基于FPGA的控制棒棒控技術下載到目標電路板進行調試，同時模擬各種情況下棒控系統的輸入狀態，測試得到的輸出結果的功能均滿足設計要求。對性能的測試主要是系統輸出頻率對輸入模擬電壓的響應精度，部分試驗測試數據與理論數據的比較，通過數據可以看出測試值與理論值誤差很微小，在設計誤差范圍內，滿足了設計要求。該控制棒棒控系統經過累計100小時長時間運行考驗，在運行過程中沒有出現任何異?，F象，通過各種嚴格測試保障了棒控系統穩定可靠的運行。

為了測試同組棒提棒的一致性，我們使用外部行程計數器對相同的兩個系統進行行程計數。對兩個系統施加相同的運行參數，在行程計數器計數到5000mm時兩個系統的計數能保證完全一致，沒有任何的偏差。改變運行參數，兩個系統的計數均能保證完全一致。通過以上測試，可以證明同組棒提棒的一致性是滿足設計要求的，大大改善了原有棒控系統提棒不一致的情況。

為了驗證基于FPGA的棒控系統與驅動機構的匹配性，我們進行了目標電路板與驅動機構的配合試驗。試驗結果表明，在各種運行頻率下，驅動機構均運行平穩且驅動電流滿足使用要求。

3 結束語

本文介紹了將FPGA技術應用于反應堆棒控系統的概況。利用FPGA豐富的邏輯資源，編程的靈活性等特點來實現反應堆棒控系統的復雜邏輯電路，電路結構簡單明了，將大量復雜的邏輯電路集成到一塊FPGA芯片中，提高了系統的可靠性與穩定性，解決了原有模擬電路的很多固有缺陷，提高了系統的抗干擾性能，實現了設備小型化。FPGA技術在反應堆棒控系統的成功應用將對反應堆儀控系統數字化進程起到了重要的推動作用。

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[責任編輯：湯靜]