新型液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

滕宇超，鄭小海,2，王麒龍

(1.西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710123；2.西京學(xué)院 理學(xué)院 陜西省可控中子源工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710123)

0 引言

目前，液面監(jiān)控裝置均為基于單片機的接觸式液面監(jiān)控裝置，通過固定頻率進行采樣，新采集的數(shù)據(jù)不斷與舊數(shù)據(jù)進行對比來識別液面位置[1]。接觸式液面位置監(jiān)控長時間運行存在很多安全隱患：(1)接觸式為人為控制，并不是真正的智能控制。(2)單片機的單核計算能力對于大量的數(shù)字信號計算而言，會顯得力不從心，整個系統(tǒng)的資源得不到最佳的利用。(3)單片機的抗干擾能力不強，在高精度高性能液面監(jiān)控作業(yè)時會丟失數(shù)據(jù)。為此，本課題設(shè)計了一套基于中子透射的液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)，具有非人為自動控制、實時監(jiān)測、精準顯示物料液位等功能，能夠替代人工填料的工作方式，對該行業(yè)的發(fā)展以及液面測量計技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 DSP+FPGA控制器原理

作為主處理器的TMS320F28335屬于TI公司的C2000系列(DSP28335)，具有高達150 MHz的主頻[2]，芯片內(nèi)部有增強型ePWM模塊，可以輸出多達18路的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信號。作為協(xié)處理器的EP4CE10F17C8片上集成了4個PLL時鐘管理單元、18×18硬件乘法器、10320邏輯處理單元、高達179個通用I/O口，便于后期功能拓展。為了實現(xiàn)高精度、高性能的液面監(jiān)控，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性，本團隊改進了單片機控制方式，引入了DSP+FPGA協(xié)同控制器。相比于單片機控制，該方案具有移動速度穩(wěn)定、控制性能優(yōu)異、工作效率高等特點。基于DSP+FPGA的液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)原理

2 實時監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

在電場作用下，D-D可控中子管將氘原子激發(fā)產(chǎn)生的等離子氣體去轟擊氘-鈦靶心，激發(fā)核反應(yīng)，產(chǎn)生14 MeV快中子束。由于兩邊為特殊材料構(gòu)成的屏蔽體，中子束經(jīng)過屏蔽體的遮擋，約束中子束沿著預(yù)期的方向射出，但是單準直器缺點在于只能一側(cè)準直，不能進行高精度位置測量。因此，采用雙準直測量系統(tǒng)，D-D中子管中子源取代化學(xué)中子源，優(yōu)點是兩側(cè)同時準直，一側(cè)發(fā)射中子束，一側(cè)進行接收，可降低容器壁、發(fā)動機殼體等環(huán)境因素的影響，提高測量精度[3]。

中子束穿過化學(xué)藥劑時，會慢慢開始衰減；沒有穿過化學(xué)藥劑時，中子數(shù)量不會發(fā)生變化。由此，在交流伺服驅(qū)動器未接到控制信號之前，系統(tǒng)開始時為自檢狀態(tài)，如系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障會發(fā)出報警信號；當倉體開始注入化學(xué)藥劑后，由于可控中子源發(fā)出中子束經(jīng)過雙準直啟動信號后，交流伺服電機帶動探測器接受通過雙準直測量系統(tǒng)的中子束，并由AD9226數(shù)據(jù)采集板進行計數(shù)信號采集，通過FPGA控制器進行信號處理，并轉(zhuǎn)化為模擬量傳送給DSP 28335，DSP 28335開始與探測器到達液面位置之前探測器采集的數(shù)據(jù)進行對比，以判斷液面的具體位置。

3 液面實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

為了改進由于單片機本身資源不足導(dǎo)致控制精度不高、系統(tǒng)不穩(wěn)定等缺陷，并充分考慮整個系統(tǒng)控制精度高、數(shù)據(jù)采集量大等特點，基于DSP+FPGA液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)采用了雙核系統(tǒng)設(shè)計，為了資源的充分利用，對DSP28335和FPGA進行了分工，把交流伺服電機控制交給了DSP28335，充分發(fā)揮DSP28335在電機控制領(lǐng)域高性能、高精度的優(yōu)勢，而3He探測器的數(shù)據(jù)采集部分以及DSP通信交給FPGA處理。DSP和FPGA也可以互相通信，進行資源數(shù)據(jù)的交換和調(diào)用。

3.2 硬件電路設(shè)計

3He探測器數(shù)據(jù)采集電路主要芯片為AD9480，探測器產(chǎn)生的脈沖數(shù)據(jù)經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電壓信。3He中子探測器輸出電壓為2 ～3 mV，而AD9480的輸入電壓為(±300) mV，因此，電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路濾波放大到100倍，能夠使AD9480數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到的電壓范圍。

3.3 軟件電路設(shè)計

FPGA+DSP液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)遵循自頂向下的設(shè)計流程數(shù)據(jù)。采集軟件與處理部分采用Labview進行設(shè)計。數(shù)據(jù)采集軟件主要實現(xiàn)3He探測器對中子計數(shù)的實時采集、顯示以及數(shù)據(jù)存儲功能，并可根據(jù)需要設(shè)置采樣率、采樣數(shù)、存儲段數(shù)等參數(shù)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用FPGA+DSP的雙核心優(yōu)勢，使用雙準直方法來測量液面位置的方案是可行的，該方案相比于超聲波與傳統(tǒng)測量方式，更加快速、便捷，減少了噪聲干擾，大大提高了測量速度，對于開發(fā)新型雙準直液面智能實時監(jiān)控系統(tǒng)提供了有益的參考和依據(jù)。