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单片机在数字化脉冲周期监测装置中的应用

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标签: 单片机在数字化脉冲周期监测装置中的应用

摘要:反应堆仪表和控制系统(I&C)的数字化发展方向成为趋势,反应堆堆外核测量系统的数字化势在必行。传统脉冲周期监测装置通常采用模拟电路设计,但是,周期测量稳定性较差,统计涨落带来的测量误差较大。本项目研制数字脉冲周期监测装置能克服以上缺陷。本文简单介绍了单片机在数字脉冲周期监测装置中的应用,并简要分析了使用80C196KC单片机的原因和在脉冲周期监测装置中单片机完成的功能和功能实现方法。关键词:脉冲周期监测;80C196KC;C语言;最小二乘拟合法

 第 28 卷  第 2 期   2008 年  3 月 核电子学与探测技术 Nuclear Elect ro nics & Detectio n Technology Vol. 28  No . 2   March  2008    单片机在数字化脉冲周期监测装置中的应用 张卫军1 ,2 ,于  涛1 ,牛铁丁2 (11 南华大学核技术学院 ,衡阳  420000 ;21 北京核仪器厂 ,北京  100176)   摘要 :反应堆仪表和控制系统 ( I &C) 的数字化发展方向成为趋势 ,反应堆堆外核测量系统的数字 化势在必行 。传统脉冲周期监测装置通常采用模拟电路设计 ,但是 ,周期测量稳定性较差 ,统计涨落带 来的测量误差较大 。本项目研制数字脉冲周期监测装置能克服以上缺陷 。本文简单介绍了单片机在数 字脉冲周期监测装置中的应用 ,并简要分析了使用 80C196 KC 单片机的原因和在脉冲周期监测装置中 单片机完成的功能和功能实现方法 。 关键词 :脉冲周期监测 ;80C196 KC ;C 语言 ;最小二乘拟合法 中图分类号 :  TL362   文献标识码 :  A   文章编号 :  025820934 (2008) 0220250204   反应堆仪表和控制系统 ( I &C) 的数字化发 展方向是趋势[1 ,2 ] ,反应堆堆外核测量系统的 数字化势在必行 ,采用什么方式进行数字化 ,有 很多路径可走 ,本文简要介绍用单片机来实现 数字化脉冲周期监测装置的设计 。 脉冲周期监测装置[3 ,4 ] 通常采用模拟电路 设计 ,这样线路比较简洁 ,功能划分比较清晰 , 硬件可靠性比较高 。但是 ,周期测量稳定性较 差 (低功率的情况更为突出) ,周期测量精度不 高 ,统计涨落带来的测量误差较大 。研制数字 化脉冲周期监测装置的目的就是要克服这些突 出矛盾 。并且数字化脉冲周期监测装置可以处 理大量的数据 ,通过 485 传送数据到远程计算 机上进行大量的信息处理 。采用数字滤波技术 还能减少噪声及外界干扰 ,提高系统的测量精 度和准确性 。 1  单片机选型 在涉及到单片机开发时 ,单片机的选择很 收稿日期 :2008201212 作者简介 :张卫军 (1973 - ) ,男 ,籍贯四川 ,南华大学 核能与核技术工程硕士 ,北京核仪器厂高级工程师 。 250 关键 。它直接决定了开发的难易程度 ,功能实 现的好坏 。单片机在国内应用较广泛的是 In2 tel 和 Motorola 两家公司 。Intel 公司推出的以 8051 为代表的 MCS251 系列 8 位单片机在国 内应用最广 ,与其相匹配的外围芯片众多 ,相关 技术资料齐全 ,开发工具也多 ,在国内拥有广泛 的用户群 。相比之下 ,其他公司的单片机虽然 功能也较强 ,但其技术资料和开发工具不是很 多 ,在国内用户也较少 。长期以来 ,国内工业控 制仪表单片机以八位机为主 ,但在较复杂的系 统中十六位单片机应用越来越广泛 ,可能成为 主流 。Intel 公司生产的 MCS —96 系列 16 单 片机[5] 有丰富的软硬件资源和更高的性价比 , 它内部集成了监视定时器 WA TC HDO G ,如果 程序出错超时运行 ,WA TC HDO G 会自动复位 系统 ,适当地应用 WA TC HDO G 将有效提高 系统可靠性 ;内部集成的脉宽调制输出 PWM 、 高速输入/ 输出器 HSIO 等功能单元 ,为 D / A 变换提供了资源 ,减少了系统复杂性 ;执行指令 速度快 ,缩短了整个程序运行的时间 ;寄存器达 到 488 个以上 ,在中间数据较少的系统中 ,可以 不扩展 RAM 空间 ;还集成了模数转换 A/ D 单 元 ,为装置功能的扩展提供了便利 。综上所述 选用 16 单片机比 8 位单片机更适用于较复杂 系 统 。 Intel 公 司 生 产 的 8XC196 KC 是 C HMOS 8XC196XX 系列中的第二代产品 ,除 具有 8096 系列的所有功能外 ,主要特点是增加 了外设事务服务器 (即 P TS ,类似于 DMA 方 式) ,减少了 CPU 在处理外设事务上的开销 。 此外 ,还提高了 A/ D 转换器的性能 ,并增加了 PWM 的 通 道 数 。它 有 512 字 节 的 寄 存 器 RAM (包括 24 个专用寄存器) ,2 个 16 位定时 器 ,8 个 10 位 A/ D 通道 ,40 个 I/ O 引脚 ,1 个 全双工串口 , 3 个脉宽调制输出 ( PWM) ,64 K 寻址空间 。可见 ,80C196 KC 能很好完成本设 计方案 ,并极易扩展 ,软件还可以采用高级语言 C 语言[6~8] 开发 。法国最新的 1300M W 核电 厂的数字化 I &C 就是采用了 16/ 32 位微处理 器 ;在国内也有用 16 位单片机作宽量程周期计 算的事例 ,并有长期运行的经验 。综合考虑脉 冲周期监测装置的功能 、性能要求和国内市场 上单片机的开发环境及用户的意见 ,我们决定 采用 Intel 公司的 16 位单片机 80C196 KC 作为 装置主处理芯片 , GAL 22V10[9] 作地址译码电 路设计数字脉冲周期监测装置 。 2  功能分配 数字脉 冲 周 期 监 测 装 置 总 体 上 由 硬 件 部 分 、软件部分组成 ,实现核功率倍增周期指示和 周期警告 、周期保护 、周期 80s 指示 ,并提供线 性计数率指示 ,对数计数率输出 ,系统故障综合 输 出 , 系 统 闭 锁 控 制 等 功 能 。80C196 KC 电 路[10 ,11 ] 主要完成的功能有 : 数据采集 、计数率 计算 (含对数计数率) 、对数计算 、周期值计算 、 周期保护输出 、周期警告输出 、周期 80s 输出 、 周期值输出 、周期值数码显示 、对数计数率输 出 、计数率数码显示 、还有故障综合 、闭锁处理 等 ,功能框如图 1 。功能框图中虚框部分包含 故障诊断 、计数率计算 、对数计算 、周期计算和 周期整定值输出 ,采用软件编程来实现 ,其余部 分均采用硬件电路来实现 。 软件和硬件的接口主要是数据采集的时间 控制 、计数率和周期显示 、对数计数率和周期模 拟量输出接口 。数据采集用快速计数器 4040 作为计数器 ,智能芯片 10ms 定时读取计数器 的数据 ,而后清除计数器的数据 ,重新计数 。计 数率和周期显示用 8279 键盘显示控制芯片作 为显示刷新芯片 ,智能芯片提供显示的计数率 和周期值的显示码 。对数计数率和周期模拟量 输出采用智能芯片自有的两个 PWM 寄存器输 出计数率的对数值 、周期的倒数值给滤波放大 电路和隔离电路来实现模拟量的输出 。 图 1  数字脉冲周期监测装置功能框图 3  功能实现[ 10~12] 片机发出负信号送门控电路 ,并通知读数 ,读完 后单片机发出复位信号给快速计数器 ,并给门 标准脉冲信号 (来自主放大器成形输出) 通 控发出正信号 ,允许下一次计数 ,再一个 10ms 过与非门组成脉冲输入控制电路 ,将脉冲送到 计数时间到时 ,单片机给门控电路发出负信号 , 54 HC4040 快速计数器电路计数 ,再送读数器 , 停止计数 ,并通知读数 ,读完后单片机再发出复 单片机读取数据 。另一个输入信号为单片机产 位信号给快速计数器 ,并给门控发出正信号 ,允 生的 10ms 定时控制正信号 ,在 10ms 定时控制 许下下一次计数 ,依次下去不断计数 ,得到多个 正信号中 ,允许快速计数器对与非门输出脉冲 10ms 计数值 ,由于单片机读数的时间在微秒量 进行累计计数 ,得到 10ms 脉冲计数值后 ,由单 级 ,所以读数死时间很短 ,可忽略 。单片机将 251 100 个 10ms 计数值累加得到脉冲计数率 ,再通 过最小二乘拟合法计算周期 ,并作周期整定值 比较 ,比较结果通过功能控制电路中 54L S244 去驱动继电器并带动发光二极管报警 ;周期值 和线性计数率值通过显示控制器 8279 等送数 码管显示 ,周期值和对数计数率值还通过单片 机的 PWM 输出 ,再经频压变换和 CA3140 放 大器放大 ,送隔离运算放大器输出 ,供全量程周 期显示和计算机使用 。电路框图如图 2 所示 。 图 2  电路框图   软件编制方面 ,由于 C 语言比汇编语言结 计数率时 ,单片机通过将连续 2 个计数率值累 构好 、透明度高 、编制简洁 ,并有大量成熟的软 加起来 ,得到一个计算周期的采样值 ,取 10 个 件模块供选择 ,且现在 C 语言编译器可以使程 这样的采样值用最小二乘拟合法计算 ,得到功 序优化到占用的空间仅比汇编语言多 20 %左 率二倍增长的周期值 ; 10000cp s 计数率以上 右 。所以采用 C 语言来编制本程序 。为了程 时 ,单片机将计数率值作为计算周期的一个采 序的安全可靠 ,在软件设计中采用了几个惯用 样值 ,取 10 个值用最小二乘拟合法来计算 ,得 原则 ,即 :不用中断 、没有跳转 、不用操作系统 、 到功率二倍增长的周期值 。仪器在输出功能方 使用软件看门狗技术 、软件冗余技术 、软件陷阱 面 ,如周期保护 、周期警告 、周期 80s 整定值等 , 技术等 。为了得到更准确脉冲周期值 ,周期的 采用软件比较来实现 ,并且将信号的输出定义 计算采用最小二乘拟合法及分段计算的方式进 为可恢复信号 ,但有一定的回滞 ,即 :如周期 ≤ 行[13] 。在较低功率段 ,探测器输出 1~5 cp s 计 30s 时 ,发出周期警告信号 ,周期 ≥31s 时 ,才关 数率时 ,单片机通过将连续 15 个计数率值累加 闭周期警告信号 ;这样做能减少由于统计涨落 起来 ,得到一个计算周期的采样值 ,取 10 个这 造成的测量结果不稳 ,导致在定值附近引起的 样的采样值用最小二乘拟合法计算 ,得到功率 继电器状态抖动现象等 。 二倍增长的周期值 ;5~100cp s 计数率时 ,通过 将连续 10 个计数率值累加起来 ,得到一个计算 4  功能验证 周期的采样值 ,取 10 个这样的采样值用最小二 数字化脉 冲 周 期 监 测 装 置 完 成 了 以 下 试 乘拟合法计算 ,得到功率二倍增长的周期值 ; 验[14217] :常规试验 ,温度试验 ,潮湿试验 ,长期稳 100~ 500cp s 计数率时 ,单片机通过将连续 5 定性 ,电气安全试验 ,运输试验 ,快堆零功率试 个计数率值累加起来 ,得到一个计算周期的采 验堆堆上考核实验 ,抗电磁干扰试验 ,加速热老 样值 ,取 10 个这样的采样值用最小二乘拟合法 化试验 ,核测量机柜的抗地震试验 ,试验前后测 计 算 , 得 到 功 率 二 倍 增 长 的 周 期 值 ; 500 ~ 试功能和性能 ,试验中进行数字脉冲周期监测 1000cp s 计数率时 ,单片机通过将连续 3 个计 装置的功能 、性能监测 ,均符合技术规格书和技 数率值累加起来 ,得到一个计算周期的采样值 , 术协议的技术要求 。 取 10 个这样的采样值用最小二乘拟合法计算 , 得到功率二倍增长的周期值 ; 1000~10000cp s 252 参考文献 : [ 1 ] Specification of requirement s for up grades using digital inst rument and cont rol systems [ R ] . IA EA Report ,1999201. [ 2 ] Modernization of inst rumentatio n and co nt rol in nuclear power plant [ R ] . IA EA Repo rt ,1998203. [ 3 ] 张法邦 ,吴清泉. 核反应堆运行物理[ M ] . 原子能出 版社 ,2000 :1702173. [ 4 ] 中国实验快堆工程核测量系统源量程中子注量率 监测系统技术规格书[ C] . [ 5 ] 孙涵芳. Intel 16 位单片机[ M ] . 北京航空航天大学 出版社 ,1995. [ 6 ] 80196 C COMPIL ER Programming Guide [ M ] . IA R S YSTEMS. [ 7 ] 80196 C COMPIL ER MANUL [ M ]. Tasking Inc. [ 8 ] 谭浩强. C 程序设计[ M ]. 清华大学出版社 ,1991. [ 9 ] AB EL 4. 0 可编程逻辑器件设计语言教程 [ M ] . 北 京希望电脑公司教材. [ 10 ] 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[ M ] . 北京航 空航天大学出版社 ,1998. [ 11 ] 李朝青. 单片机原理及接口技术[ M ] . 北京航空航 天大学出版社 ,1994. [ 12 ] 王幸之 ,等. 单片机应用系统抗干扰技术 [ M ]. 北 京航空航天大学出版社 ,2000. [ 13 ] 丁振良. 误差理论与数据处理[ M ] . 哈尔滨工业大 学出版社 ,1992. [ 14 ] 核 仪 器 环 境 条 件 与 试 验 方 法 [ S ] . GB/ T 89932 1998. [ 15 ] 核电厂安全级电子元器件老化筛选和降额使用 规定[ S] . EJ / T 504290. [ 16 ] 堆用核仪器电磁干扰特性和检验方法 [ S ] . GB/ T 1168421989 . [ 17 ] 核电厂安全系统电气设备抗震鉴定 [ S ] . GB/ T 1362521992 . Appl ication of SCM in Digital Pulse Period monitoring device ZHAN G Wei2jun1 ,2 , YU Tao1 ,N IU Tie2ding2 (11 School of nuclear science & technology , U niversity of Sout h China , Hunan Hengyang 420000 ,China ; 21Beijing Nuclear Inst rument Factory , Beijing 100176 ,China) Abstract :For t he digitization develop ment direction of reactor inst rument and cont rol system become a tendency , t he digital nuclear measurement of exterior reactor is imperative under t he sit uation. Analog circuit is int roduced in t raditional digital plus period monitoring device , however , t he stabilit y of period is not perfect and t he measurement error caused by statistical fluct uation is biggish. The digital plus period measurement developed in t his program can overcome bug mentioned above. The application of single2 chip machines in digitized p ulse period monitoring device is briefly int roduced in t his paper . Besides , t he reason for using t he 80C196 KC as t he CPU , t he f unction and f unctional met hodologies adopted by t he single2chip machine in digitized p ulse period monitoring device is analyzed in t his paper . Key words :p ulse period monitoring ; 80C196 KC ; C language ; least square met hod 253
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