一種便攜式智能式格雷碼發(fā)生裝置的研究

翟磊 高東博

摘要：核電廠棒位顯示的檢測裝置通常用格雷碼發(fā)生器，通過人為撥動開關(guān)來模擬棒位，進而檢測棒位的顯示系統(tǒng)是否工作正常，由于現(xiàn)用格雷碼發(fā)生裝置有體積大，測試時人為干預過多，操作攜帶麻煩等不利因素，因此研究設(shè)計一種以MCU為主導的便攜式智能格雷碼發(fā)生器裝置來實現(xiàn)棒位顯示的精準檢測。

關(guān)鍵詞：格雷碼信號發(fā)生器 棒位檢測 核電廠 單片機 arduino

一、傳統(tǒng)格雷碼信號發(fā)生器測試裝置

核電廠每工作一定的時間需要對廠內(nèi)設(shè)備進行例行檢測和維修，控制棒是核電廠反應堆重要組成部件。各棒束的位置決定著反應堆活性大小，因此棒束位置的顯示系統(tǒng)是核電廠重要系統(tǒng)之一，每一根棒的位置通常通過棒位系統(tǒng)的測量單元得到對應的5位格雷碼數(shù)據(jù)，并將格雷碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说陌粑伙@示單元，進而顯示棒束當前位置。在例行實驗中為測試顯示棒位步數(shù)的準確性和響應性，現(xiàn)常用格雷碼信號發(fā)生器替代棒位檢測單元輸出格雷碼型號，依照測試程序進行手動給定格雷碼數(shù)據(jù)，并由主控室檢測顯示步數(shù)。

a）裝置結(jié)構(gòu)

目前格雷碼信號發(fā)生器是近似值為500*300*400（長*寬*高，mm）的箱體。并且外部需接入220VAC工作電源，由普通數(shù)碼管顯示當前輸出的格雷碼步數(shù)。在手動測試區(qū)中集成多通道的測試撥檔開關(guān)，箱體背面是多通道的9孔串口輸出接口，用于輸出格雷碼步數(shù)。

b）測試

手動測試：每個棒束的顯示由5個兩位開關(guān)的邏輯組合來實現(xiàn)，即從0步到32步中的任一數(shù)值顯示了棒束位置。那么在手動測試時，僅測試一根棒束，操作員就要對5個兩位開關(guān)進行不斷的換撥，模擬出32個位置的觸發(fā)信號。

自動測試：一般分為1步/分，6步/分，9步/分的速度選擇，實現(xiàn)單步自增加步數(shù)，并由棒位顯示的對比來判斷準確與否。

c）缺點

箱體規(guī)格較大、笨重;在測試期間需有線電源才能工作;手動測試時，對5個開關(guān)的操作是對應一個顯示單元，容易出現(xiàn)漏測，且效率低;每個輸出通道接一組線束，多通道輸出接線復雜，基于如此諸多不利因素，研發(fā)一種便攜式智能格雷碼信號發(fā)生器裝置是一個很有意義創(chuàng)新。

二、便攜式智能格雷碼信號發(fā)生器

除了滿足在役格雷碼信號發(fā)生器的功能外，研究的新型格雷碼信號發(fā)生器（后程便攜式發(fā)生器）還具備棒位顯示單元的故障診斷，無線連接，電源管理等功能。主要特色是輕便小巧，易于攜帶，采用內(nèi)置可充電鋰電池，省去外接電源。

1. 功能設(shè)計規(guī)劃

便攜式發(fā)生器采用Type-C口進行充電、開關(guān)機按鍵設(shè)計為短按開機，長按關(guān)機、手自動切換按鍵、手動步數(shù)增減按鍵和自動增減步頻按鍵。信號輸出接口為5為格雷碼信號輸出端口，同時設(shè)計了DC15V棒位顯示單元供電輸出端口，使測試與被測單元都獨立于外接電源。在測試時通過檢測棒位顯示單元的電源電流判斷被測單元是否存在故障，設(shè)計留有無線藍牙接口，可連接外部智能無線終端來進行測試工作，顯示單元采用128x64的OLED顯示屏，可顯示充電狀態(tài)，故障指示，手自動選擇，測試數(shù)據(jù)等。

2. 硬件設(shè)計

◆Type-C充電端口和LIPO充電電路實現(xiàn)對內(nèi)置鋰Lipo電池的充電功能;

◆電子電源開關(guān)電路，實現(xiàn)工作電源的控制，實現(xiàn)開關(guān)機功能。當開機時有按鍵觸發(fā)開機并由單片機控制電子開關(guān);當關(guān)機時有單片機給出指令關(guān)閉電源。

◆工作電源BOOST是將電池電壓提升到穩(wěn)定的5V后為整個系統(tǒng)供電，實現(xiàn)升壓和穩(wěn)壓的功能。

◆15V供電BOOST是為外部被測設(shè)備提供穩(wěn)定的15V供電的電路，由單片機控制，只有當啟動測試后才有電壓輸出。當正常測試時，由電流檢測測試被測設(shè)備的電流并反饋給單片機。

◆格雷碼輸出電路，是將單片機輸出的信號進行功率放大，并由輸出端口輸出。

◆單片機系統(tǒng)，是整個設(shè)備的核心，由內(nèi)部軟件實現(xiàn)各個功能。

◆按鍵電路和OLED顯示器，實現(xiàn)設(shè)備的人機交互，可以通過設(shè)置格雷碼發(fā)生器的工作模式和參數(shù)，并由OLED顯示當前參數(shù)和狀態(tài)。

3. 軟件設(shè)計

軟件是整個設(shè)備的核心內(nèi)容，主要的工作流程是由按鍵啟動電源后，軟件開始初始化并進入待機狀態(tài);由“啟動/停止”按鍵啟動測試后，進入工作狀態(tài)并輸出電源以及格雷碼信號;需要關(guān)機時，長按“電源”按鍵，單片機控制電源電路關(guān)閉，進入到關(guān)機狀態(tài)。

待機狀態(tài)：進入待機狀態(tài)后，單片機對外設(shè)進行初始化，并顯示當前工作的狀態(tài)和參數(shù)，并等待按鍵的輸入，進而執(zhí)行對應的工作模式。通過‘電源/模式’按鍵切換工作模式：自動模式->手動模式->藍牙模式。具體流程見下圖：

自動模式：當OLED顯示“AUTO”時表示進入了自動工作模式，通過“啟動/停止”按鍵啟動后，可以自動循環(huán)輸出格雷碼信號，實現(xiàn)整個棒位顯示系統(tǒng)快速測試，輸出信號的頻率快慢可以通過“加/減”按鍵設(shè)置。

手動模式：當OLED顯示“MANL”時表示進入了手動工作模式，同樣的由“啟動/停止”按鍵控制啟停，啟動后由按鍵“加”增加步數(shù)，由按鍵“減”減少步數(shù)，并直接由端口輸出。可以實現(xiàn)對某一特定步數(shù)的狀態(tài)進行檢測。

藍牙模式：可以通過智能終端，控制發(fā)生器的工作狀態(tài)和參數(shù)，適用于單人遠距離測試操作，只需要將發(fā)生器插入到被測設(shè)備的輸入端口后，即可通過智能終端上的操作實現(xiàn)自動工作和手動工作的功能測試。

便攜式智能格雷碼發(fā)生器整體設(shè)計與以往發(fā)生器相比較，有效的減少了體積，同時不需要外部電源供電，因此可以作為一個便攜式儀器使用。在自動工作模式時，由于采用了單片機軟件算法，因此可以有更高分辨率的速度輸出，相比較之前只有3檔的輸出有了很高的提升。核電的棒位檢測系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)在相距較遠的位置式，可以采用藍牙模式，通過智能終端控制格雷碼信號的輸出，便工作人員測試使用。

參考文獻：

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