基于嵌入式计算机的核测系统设计与应用

崔 璨,邓 圣,代航阳,付国恩

(中国核动力研究设计院，成都 610041)



基于嵌入式计算机的核测系统设计与应用

崔 璨,邓 圣,代航阳,付国恩

(中国核动力研究设计院，成都 610041)

嵌入式系统以功能专一、集成度高、可靠性高、功耗低等优点，在核测量领域方面有着巨大的应用前景；设计基于嵌入式计算机PCM-3343核测量系统具有模拟信号采集、脉冲信号采集、开关量信号采集、模拟输出、开关量信号输出等功能，以触摸屏、液晶屏、键盘鼠标作为人机交互接口；根据功能要求，硬件上设计了基于PC104总线的具有相应功能电路模块,软件方面设计了基于FPGA的功能模块、基于Windows CE 6.0的嵌入式操作系统的应用程序和基于迪文触摸屏的软件界面；该系统在核电厂硼浓度计、反应堆集中数据采集系统、数字反应性仪等设备上均有良好应用。

嵌入式计算机；核测系统；触摸屏

0 引言

当前，以个人计算机、工控机、工作站等为控制核心的数字化核测量系统已非常成熟与普遍，如数字化反应堆集中数据采集系统、核电站硼浓度计、数字反应性仪、多道中子注量率分布测量系统等等。但是由于此类计算机本身体积较大，操作需配置键盘鼠标，在小型化、便携式方面略显不足。

随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统已经非常紧密的融入我们的生活，如我们现在使用的智能手机、平板电脑、车载导航、ATM等等。其功能专一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特点，已经逐渐替代了以个人计算机、工控机等为核心的系统。

本文介绍了以嵌入式计算机PCM-3343为基础搭建的数字化核测量平台，以触摸屏作为人机交互接口，通过PC104总线扩展不同功能的模块，以实现功能各异的核测设备。

1 系统总体设计

核测系统根据核探测器的不同，基本可分为直流型和脉冲型。本文设计的核测系统主要针对这两种类型的信号。如图1所示，嵌入式计算机搭载在扩展电路板上设计成独立的模块，扩展计算机本身的功能和接口。模拟信号采集电路、脉冲信号采集、预处理电路(放大、整形、甄别、隔离等)、开关量信号采集电路、模拟输出电路、开关量输出电路等也设计成独立模块的形式，由FPGA实现PC104总线译码，并通过PC104总线进行数据交换。人机交互接口可采用触摸屏方式或者液晶显示器及键盘鼠标的方式。

图1 系统结构组成图

2 硬件设计

2.1 嵌入式计算机

本系统的核心为嵌入式计算机PCM-3343，该板卡是基于PC104总线设计的，其基本配置： CPU为Vortex86DX -1 GHz，256 MB板载DDR2内存；接口包括4个USB接口，1个SPI接口、1个I2C接口、3个RS232接口，1个RS485接口，2个以太网结构口等；支持CRT和LCD显示。

2.2 触摸屏

本设计可采用触摸屏作为人机交互接口，减少了鼠标键盘等外围设备。触摸屏采用北京迪文科技有限公司的8英寸显示屏DMT80600T080_07W，嵌入式计算机通过RS232串口驱动触摸屏显示，主要完成软件系统界面及相关数据显示，参数的触摸设置与修改，其主要技术参数为：

1)分辨率：800600(4:3)；

2)工作电压：5～15 V；

3)工作电流：350 mA@12 V。

2.3 模拟信号采集

模拟信号采集包括电压信号、小电流信号。电压信号通过电压跟随器实现阻抗匹配，输入到A/D转换芯片，并采用多路开关切换实现多通道测量，A/D转换芯片和多路开关的时序由FPGA控制，图2为8通道模拟采集电路示意图。对于大电流信号(如4～20 mA标准电流)可采用高精度取样电阻转换为电压信号后采集；对于小电流信号需设计小电流放大器，转换为电压后采集，而小电流放大器档位控制由FPGA实现。

图2 8通道模拟采集电路示意图

2.4 脉冲信号采集

计数管输出的微弱的脉冲信号，经前放、主放放大、甄别、整形处理后的脉冲信号采用光电隔离，一般采用6N137，隔离后的信号输入到FPGA内，在FPGA内设计计数器实现脉冲信号采集。

2.5 开关量信号采集

对于有源开关量，隔离原理与脉冲信号采集电路相同，隔离后的信号输入到FPGA内；对于无源开关量，需增加一个隔离激励电源，转换为有源开关量后，进行采集。

2.6 模拟信号输出

模拟输出信号为电压信号或电流信号，电压信号由FPGA控制DA输出，DA输出的信号需增加跟随器以实现阻抗匹配；电流信号一般为4～20 mA标准信号，可采用4～20 mA变送芯片，如AD694，将DA输出的电压信号转换为电流信号。

2.7 开关量信号输出

对于通道较少的开关量输出，可采用三极管驱动输出；对于通道较多的开关量输出，由于FPGA的IO资源有限，FPGA输出串行数据，经隔离后，将串行数据转换成并行数据后驱动继电器、光耦开关等输出。

2.8 通讯接口

嵌入式计算机本身提供了较为丰富的通讯接口，基本上可以满足我们设计使用需要，但是对于某些对通讯功能要求较多的设备，有必要增加更多的接口。

考虑到FPGA较为丰富的IO口和配置的灵活性，通过Verilog HDL语言在FPGA内部设计各种通讯接口模块：如RS485接口[2]、RS232接口[3]、CAN总线接口[4]、SPI总线接口、I2C总线接口、USB接口等,各通讯接口通过PC104总线与嵌入式计算机进行数据交换。采用这种由FPGA实现各种接口的方法使FPGA外围器件大大减少，可根据需要进行增加和剪裁，使设计和使用更加灵活。

3 软件设计

软件设计主要包括基于FPGA的功能模块设计、基于WinCE的嵌入式操作系统的应用程序开发和基于迪文触摸屏的软件界面开发。

3.1 功能模块

功能模块是运行于FPGA内部根据用户定义得到，采用Verilog或HDL语言编写，包括：PC104接口模块、AD采样时序控制模块、DA输出时序控制模块、定时计数器模块、开关量输入输出控制模块、通讯接口模块等。各功能模块单独设计和仿真，根据设计需要进行各模块组合和整体仿真。

3.2 应用程序开发

应用程序设计分为操作平台的开发和数据计算与控制程序设计。

数据计算与控制程序运行在Windows CE 6.0嵌入式操作系统平台上，该系统平台具有可靠性好、实时性高、内核体积小的特点，特别适合于PC104嵌入式计算机操作系统平台的搭建。操作系统由Windows CE软件工具来完成定制，操作系统平台开发是一个递归开发过程，主要包括以下步骤：

1)硬件平台特定BSP包安装：安装特定于PCM-3343硬件平台的BSP包；

2)操作系统平台搭建：创建一个能在PCM-3343嵌入式计算机上运行的Windows CE操作系统内核，驱动PCM-3343系统所有硬件，并对操作系统特征和软件功能进行精确定制；

3)操作系统下载与调试：操作系统搭建完成以后需要下载到目标设备中进行调试，主要包括：建立目标设备与开发机的连接、配置目标设备连接性选项、操作系统的下载与运行、操作系统远程调试等。

4)SDK的导出：创建一个基于本操作系统设计的SDK，主要用于在特定操作系统下的应用程序开发。

数据计算与控制程序设计采用Visual Studio 2005进行开发，若采用触摸屏作为人机交互接口，可不设计软件界面。主要的功能应包括：与触摸屏通过RS232接口通讯、与PC104总线通讯、电压或电流采集处理计算、开关量采集、脉冲信号定时计数、电压或电流计算输出、开关量输出控制等。

基于Windows CE 6.0平台的数据计算与控制程序针对RS232串口通讯调用了串口通讯函数。这些函数对串口进行配置和读写，包括：GreatFile、CloseFile、SetCommState、ReadFile、WriteFile等。通讯协议的数据帧格式定义详见表1。

表1 迪文DGUS屏串口数据帧格式

电压或电流采集处理计算、开关量采集、脉冲信号定时计数、电压或电流计算输出、开关量输出控制等的数据都是通过PC104总线完成，数据计算与控制程序针对PC104总线通讯调用了IO操作函数，IO操作函数包括：READ_PORT_UCHAR和WRITE_PORT_UCHAR分别读写相应地址(基地址+偏移地址)数据。

3.3 人机界面

软件界面采用迪文DGUS触摸屏配置软件进行开发，并采用RS232串口通讯的模式与嵌入式计算机进行通讯。人机界面的开发主要分为参数配置、界面设计和通讯协议设计，生成的配置文件和图片文件通过SD卡下载到迪文DGUS触摸屏运行。

参数设置主要包括通讯参数设置(波特率设置、通信帧头设置、帧校验设置和串口自动上传设置等)和显示参数设置(屏幕分辨率设置、屏幕显示方向设置和屏幕控制背光设置等)，以上参数设置完成以后输出CONFIG.TXT文件。

界面设计是DGUS屏软件设计的核心部分，主要分为界面图片设计和界面配置两部分。界面图片设计完成人机界面的图片、文字、颜色和结构布局等重要元素的美工效果设计。界面图片利用Photoshop(或者其它绘图软件)进行设计，图片必须是24位色的BMP格式。界面配置完成触控配置和变量配置中的相关变量的定义。触控配置为用户可触控操作的界面元素的设置，一般包括变量数据录入、弹出菜单选择、增量调节、拖动调节、文本录入等；变量配置为需要界面显示的变量的设置，一般包括图标变量、文本变量、图形变量。

迪文DGUS触摸屏与嵌入式计算机PCM-3343之间的数据交换通过RS232接口实现。 PCM-3343上的通讯程序按照表1串口数据帧格式进行编程，PCM-3343对迪文触摸屏的控制寄存器的访问以字节为单位，对数据寄存器的访问以字为单位，表2对两种寄存器访问做了说明。

表2 寄存器访问说明

4 应用

4.1 核电站硼浓度计

硼能有效的吸收中子，该设备通过测量中子源的计数率间接计算出硼浓度。巴基斯坦C2/C3/C4核电站硼浓度计测量装置就是基于本文提到的结构设计，测量装置包括计算机模块、模拟输入输出模块、隔离驱动模块、高压电源、脉冲放大模块等。高压电源为计数管提供工作高压，计数管输出的脉冲经过脉冲放大模块进行放大、甄别、成形，计算机模块对脉冲进行定时计数，通过测得的计数率计算硼浓度。模拟输入输出模块测量回路温度值，对计算出的硼浓度进行温度修正，测量衰减后的高压值、甄别阈值进行显示，同时将计算出的硼浓度值转化成标准的4～20 mA电流信号输出。硼浓度值低于报警阈值、硼浓度变化率低于报警阈值、系统工作参数不正确均会产生相应的报警信号，隔离驱动模块驱动继电器产生报警触点信号、驱动发光二极管产生报警光电指示。嵌入式计算机的RS232接口可连接本地计算机设备进行硼浓度值、运行参数等的实时显示；嵌入式计算机的RS485接口可连接远程显示单元进行硼浓度的显示，同时可进行硼浓度输出类型选择。

4.2 反应堆集中数据采集系统

该系统是基于PCI总线的工业控制计算机工作平台为核心(包括工控机、数据采集卡、RS485通讯卡)，外围配置信号预处理单元、3台显示器以及UPS电源等主要设备。该系统实时监控来自反应堆控制系统、测量系统和保护系统的数据参数，为试验人员提供反应堆现场数据和物理分析[5]。可根据本文设计的系统替代工控机、数据采集卡、RS485通讯卡等，设计嵌入式计算机模块、信号预处理模块、32通道的模拟采集模块、72通道的开关量信号采集模块、4通道脉冲信号采集模块、4通道485通讯模块，软件为基于Windows CE 6.0的人机交互界面程序，功能包括运行状态和参数的监测、故障报警指示以及临界外推计算等。

4.3 数字反应性仪

中国核动力研究设计院设计的第二代改进型便携式数字化反应性仪，由反应性主机、电离室、笔记本电脑组成。其中反应性主机包括小电流放大器、数据采集模块、USB接口控制器、低压电源和高压电源组成[6]。设计模拟采集模块、嵌入式计算机模块替代数据采集模块、USB接口控制器和笔记本电脑，同时采用触摸屏作为人机交互接口。嵌入式计算机通过PC104总线对模拟采集模块进行时序控制和数据读取，根据采集结果控制小电流放大器进行档位切换，将采集的数据进行计算和处理，并通过RS232接口与触摸屏进行数据交换。模拟采集模块设计单通道的模拟电压信号采集，模块内集成的FPGA完成PC104总线译码和采集控制。小电流放大器模块除了保留原有小电流放大电路外，PC104总线译码和小电流档位控制由模块内的FPGA完成。触摸屏界面可根据原有软件进行设计，功能上具有小反应性实时跟踪测量和可消除空间效应的大反应性的落棒法测量。

5 结论

嵌入式系统具有功能专一，集成度、可靠性高，功耗低[1]的特点，在核测领域有着很好的应用前景。本文根据核测系统的普遍要求，设计了基于嵌入式计算PCM-3343的核测系统，该系统可根据实际需要进行增加和剪裁，在核电厂硼浓度计、反应堆集中数据采集系统、数字化反应性仪等设备上均有良好的应用。

[1] 王福刚,杨文君,葛良全.嵌入式系统的发展与展望[J].计算机测量与控制，2014,22(12):3843-3847.

[2] 梁士龙,王力男,杨嘉伟.用FPGA实现RS-485通信接口芯片[J].系统工程与电子技术，2002,24(4):103-106.

[3] 戴 彦,王诚意,孙 春.基于FPGA的RS232串行通信设计[J].唐山学院学报，2011,24(3):74-76.

[4] 张雨光,黄启俊,常 胜.基于FPGA的CAN总线控制器设计[J].电子技术设计与应用,2011(5):34-36.

[5] 代航阳,邓 圣,崔 璨.数字化反应堆集中数据采集系统研制[J].核动力工程,2013,34(2):56-59.

[6] 黄礼渊,付国恩,李 翔.反应堆物理试验用便携式数字反应性仪的研制[J].核电子学与探测技术,2010,30(5):638-641.

Design and Application of Nuclear Measurement System Based on Embedded Computer

Cui Can，Deng Sheng，Dai Hangyang，Fu 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，浙江宁波、硕士，助理研究员，主要从事核电子学工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0048-03

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

TL363

A