一种基于微控制器的小型便携式反应性仪

摘要

本发明公开了一种基于微控制器的小型便携式反应性仪，包括微控制器、显示模块、小电流测量模块、高压电源模块和供电电源模块；所述微控制器与两个小电流测量模块相连接，通过数字通信方式获取小电流测量模块采集的电流大小；微控制器通过多路复用开关连接信号输入端，用于采集多路电压信号，微控制器连接信号输出端，用于输出多路电压信号；微控制器与高压电源模块相连，用于控制、监控高压电源模块输出的高压；微控制器还与显示模块相连；所述供电电源模块为微控制器、显示模块、小电流测量模块、高压电源模块供电。本发明在内部设置微控制器MCU，微控制器内置求解逆动态方程的计算代码，可脱离上位机独立工作。

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆反应性测量装置，具体涉及一种基于微控制器的小型便携式反应性仪。

背景技术

反应性仪，是指与一个或多个探测器相连、用于测定反应堆反应性和控制棒刻度等的电子仪器。目前广泛应用的反应性仪都离不开通用计算机，均采用数据采集处理器与上位计算机的设计架构。但是这种反应性仪与通用计算机分体相连的结构，可靠性不高，便携性差；反应性仪依赖通用计算机和常规操作系统，无法成为反应堆中满足核安全级的在线仪表；反应性仪与通用计算机之间的分体式接线，涉及较长数字通讯电缆，会对中子电流微弱信号的测量产生的很大影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于微控制器的小型便携式反应性仪，不需要连接通用计算机，可独立进行反应性的计算。

为此，本发明的技术方案是：一种基于微控制器的小型便携式反应性仪，其特征在于：包括微控制器、显示模块、小电流测量模块、高压电源模块和供电电源模块；所述微控制器与两个小电流测量模块相连接，通过数字通信方式获取小电流测量模块采集的电流大小；微控制器通过多路复用开关连接信号输入端，用于采集多路电压信号，微控制器连接信号输出端，用于输出多路电压信号；微控制器与高压电源模块相连，用于控制、监控高压电源模块输出的高压；微控制器还与显示模块相连；所述供电电源模块为微控制器、显示模块、小电流测量模块、高压电源模块供电。

优选地，还包括阻抗匹配电路，两个小电流测量模块分别与两个阻抗匹配电路相连接；阻抗匹配电路包括输入端、输出端、二极管、第一电磁继电器、第二电磁继电器和电容，输出端与小电流测量模块相连接，输入端和输出端之间串联二极管，二极管与第一电磁继电器的常开触点并联；电容具有多个，且电容的容值依次递增，所有电容并联在输入端和输出端之间，第二电磁继电器与电容数量相同，且一一对应，电容串联第二电磁继电器的常开触点。

优选地，所述微控制器通过隔离型网口连接外部以太网，实现与外部网络的通信功能。

微控制器经多路复用开关与外部八路输入信号相连接，用于采集来自反应堆仪控系统的电压信号，微控制器与四路输出信号相连接，可对外输出所需的电压信号；微控制器可控制液晶屏显示所需的信息。供电电源模块可以将市电的电压转化为各类不同等级的电压给仪器内部模块供电。

阻抗匹配电路放置于小电流测量模块之前，用于匹配探测器和线缆的阻抗特性，可自适应恶劣电磁环境下的中子电流输入，保障了小电流测量模块的正常工作和电流采样精度。输入端使用HN接口，连接中子探测器线缆，输出端使用BNC接口，连接小电流测量模块，HN接口、BNC接口可以最大程度的排除外界对于中子探测器输出的小电流信号的干扰，同时和现场线缆的接口一致，方便接线；二极管可阻断电流的回流路径使得一些外部干扰无法对输入信号产生影响，选择漏电流极小的二极管使得其本身的漏电流对输入信号的影响很小；多组不同容值的电容用于探测器和电缆的阻抗匹配，提升了信号完整性。在对不同的机组进行阻抗匹配时，可以通过控制电磁继电器的通断来旁路和选通二极管、不同容值的电容，以达到改变匹配电路参数的目的，通过这种方式可以很好的适应不同机组间，不同的阻抗特征，保障了小电流测量模块稳定工作。

本发明在内部设置微控制器MCU，微控制器内置求解逆动态方程的计算代码，可脱离上位机(通用计算机)独立工作，仪器通过采集中子探测器输入的电流信号，可实时计算反应性的大小；本发明也可兼容现有仪控系统架构，通过TCP协议将采集到的数据上传至计算机，通过计算机进行反应性的计算。本发明高度集成，体积小，重量轻，便于携带，内置MCU，可独立工作。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的系统框图；

图2为阻抗匹配电路图。

具体实施方式

参见附图。本实施例所述的反应性仪，包括嵌入式主板、显示模块、阻抗匹配电路、小电流测量模块、高压电源模块和供电电源模块。

嵌入式主板上设有微控制器MCU，微控制器内置求解逆动态方程的计算代码，使得仪器可脱离上位机(通用计算机)独立工作，仪器通过采集中子探测器输入的电流信号，可实时计算反应性的大小。微控制器采用ARM系列单片机，其具有A/D、D/A、串口、GPIO、SPI等外设接口；其中一路A/D端口经多路复用开关与外部P2信号输人相连接，用于采集来自仪控系统的电压信号；另一路A/D端口与内部高压电源模块相连接，高压模块输出的高压经过运放电路处理后再对其进行采样；其中一路D/A端口与P2信号输出相连接，可控制P2信号输出的电压大小，P2信号输出的电压可供其他外部系统使用；另外一路D/A端口与内部高压电源模块相连接，可控制高压电源模块输出的电压大小，高压电源输出的高压可供探测器使用；其中串口通过RS232系列芯片实现TTL串口电平与RS232电平的转换，两个RS232接口分别和两个小电流测量模块相连接，可直接与小电流测量模块进行通讯，获得其采集的电流大小；其中GPIO接口和显示模块相连接，可控制显示模块显示所需的信息；其中SPI接口与以太网控制器连接，以太网控制器与隔离型RJ45网口连接的方式实现与外部网络的通信。

探测器电流信号先通过阻抗匹配电路后再由小电流测量模块进行采集，阻抗匹配电路用于匹配探测器和线缆的阻抗特性、可自适应恶劣电磁环境下的中子电流输入，保障了小电流测量模块的正常工作和电流采样精度；外部220VAC/50Hz交流输入通过供电电源模块转换为多种低压直流电源，该电源是根据反应性仪的微弱信号测量特性而专门设计的，在电源静噪、多电压间隔离方面进行了优化。

阻抗匹配电路，由二极管D1、不同容值的电容C1、C2，…，Cn、电磁继电器、输入端、输出端组成。输入端使用HN接口，连接中子探测器线缆，输出端使用BNC接口，连接小电流测量模块；二极管D1串联在输入线缆、输出线缆之间；不同容值的电容C1、C2，…，Cn并联在输入线缆、输出线缆之间；第一电磁继电器S0的常开触点与二极管D1并联，多组第二电磁继电器S1、S2，…，Sn的常开触点分别与电容C1、C2，…，Cn串联。

在实际工作时，需实时观察小电流测量模块的电流采集情况，当小电流测量模块发生振荡时，需选通或旁路本电路中的电磁继电器，从小至大地及时切换不同电容挡位(选通不同容值的电容)来匹配源端阻抗；为得到最佳的电流采集效果可通过多次迭代的方式去选通不同容值的电容。具体迭代方式如下：

1)从C1至Cn依次切换电容，直至小电流测量模块振荡幅值达到最小，标记此电容为Cx并选通此电容；

2)从C1至Cx依次切换电容，直至小电流测量模块振荡幅值达到最小，标记此电容为新的Cx，并选通此电容；

3)多次重复步骤2)，当小电流测量模块能完全稳定时，则完成迭代。

小电流测量模块采用先进的数字化小电流采集模块，以满足动态刻棒技术对中子探测器电流测量的苛刻要求，数字化小电流采集模块为微弱电流测量部件，具有与进口成品仪表同等的性能和稳定性，体积非常小巧，适合集成到各种便携设备内以组成精密测控系统。其内含8个电流量程，支持快速量程切换功能。测量范围：10fA到20mA；测量频率：1.0Hz-10Hz；采样间隔：0.1秒-1秒；量程切换：自动切换点电流值阶跃小于测量值的0.1％；10

高压电源模块包括内置的两组双极性高压电源模块，高压电源模块为核仪器专用低噪偏置电源，0-500V任意电压的稳定输出。输出范围：0V～±500V；负载能力：0-5mA；负载稳定度：0.5％；时间漂移：<0.05％每小时；温度漂移：<0.05％每℃；转换效率：70％；电缆接口：BNC(Q9)型。

显示模块为液晶屏，是一种带中文字库的128×64显示屏，具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可显示仪器的测量参数、诊断参数等，使得现场应用更灵活可靠。

供电电源模块是根据反应性仪的微弱信号测量特性而专门设计的，在电源静噪、多电压间隔离方面进行了优化，利于微弱信号测量。可将220V/50Hz的市电转换为±12V、5V的直流电，为反应性仪内部不同电压等级的系统供电。

嵌入式主板内部集成微控制器MCU、RS232、ADC、DAC、GPIO以及RJ45网口；ADC可采集P2输入的电压信号，精度优于0.1％(满量程)，输入范围±10V，可用于监控来自核电厂仪控系统的信号。DAC可输出P2电压信号，精度优于0.1％(满量程)，输出范围±10V，可将输出的电压输送至核电厂物理试验仪表；另外一路ADC和另外一路DAC可用于控制高压电源模块输出的电压，同时可以监控其输出电压的行为，防止意外的发生；RJ45网口通过变压器隔离的方式和外部以太网通信；微控制器内部软件集成TCP/IP协议，可通过TCP/IP的方式与外部设备进行通信；微控制器内置反应堆逆动态方程的求解算法，可脱离上位机独立进行反应性的计算，符合核安全级仪表便于验证与确认(V&V)的基本硬件条件，可以成为反应堆中满足核安全级的在线仪表。