余方偉

(海軍駐武漢某研究所軍事代表室 武漢 430205)

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基于單片機(jī)技術(shù)的輻射探測(cè)器可調(diào)式高壓電源設(shè)計(jì)*

余方偉

(海軍駐武漢某研究所軍事代表室 武漢 430205)

主要介紹了一種基于單片機(jī)技術(shù)的寬量程可調(diào)式高壓電源設(shè)計(jì),可應(yīng)用于多種輻射探測(cè)器的高壓故障診斷。該技術(shù)的應(yīng)用,為輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障快速定位與診斷探索出一條新途徑。

故障診斷; 高壓電源; 單片機(jī); 輻射探測(cè)器

Class Number TP368.1

1 引言

電離室、3He計(jì)數(shù)管、蓋革管和光電倍增管等輻射探測(cè)器是核工業(yè)儀表常用的輻射探測(cè)器,不同的探測(cè)器,要求加在探測(cè)器上的工作電壓也不同。工作電壓的準(zhǔn)確性與探測(cè)器的探測(cè)效率以及探測(cè)器工作的穩(wěn)定性緊密相關(guān)。

目前輻射探測(cè)器的高壓電源設(shè)計(jì)基本可分為固定式和可調(diào)式,可調(diào)式高壓電源又可以分為電阻調(diào)節(jié)型高壓電源和電壓調(diào)節(jié)型高壓電源。本文將介紹一種電壓可調(diào)式高壓電源設(shè)計(jì)方案,調(diào)節(jié)范圍可達(dá)-1500V～+1500V,用以給八種不同類型的輻射探測(cè)器提供高壓電源。

2 基本原理

為了研制一款用于檢測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的輻射探測(cè)器和輻射二次儀表的故障診斷儀,需要設(shè)計(jì)一個(gè)體積小巧,并能產(chǎn)生多路穩(wěn)定高壓的電路。本高壓電源設(shè)計(jì)方案選用的是電壓調(diào)節(jié)型能產(chǎn)生高壓范圍為-1500V～+1500V的寬范圍高壓模塊,高壓模塊的調(diào)制電壓采用單片機(jī)的SPI串口總線輸出控制指令,SPI串口總線數(shù)據(jù)經(jīng)AD5724數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成電壓值,該電壓值作為控制電壓輸出到正、負(fù)高壓模塊,與正、負(fù)高壓模塊組成一個(gè)高壓可調(diào)電路,根據(jù)需要輸出不同的高壓值。該高壓智能電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 高壓可調(diào)電路系統(tǒng)原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電路芯片選型

本高壓電源設(shè)計(jì)主控芯片采用的是NXP公司的LPC1768ARM處理器,LPC1768具有高性能、體積小、低功耗、片上可選擇多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)工作頻率可達(dá)100MHz,LPC1768的片上外設(shè),包括512KB的Flash存儲(chǔ)器和64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、四個(gè)通用32位定時(shí)器、12-bit ADC、兩個(gè)SSP控制器和兩個(gè)SPI接口,以及多達(dá)70個(gè)的通用I/O管腳等等。

數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采用的是Analog Devices公司的AD5724R DAC芯片,該芯片具有四通道、12位、串行輸入、電壓輸出等特點(diǎn)。AD5724芯片采用-12V和+12V雙電源供電,參考電源可設(shè)為外置2.5V,也可設(shè)置為內(nèi)置2.5V,標(biāo)稱滿量程輸出范圍可通過軟件設(shè)置。AD5724采用串行接口,能夠以最高30MHz的時(shí)鐘速率工作,并且與DSP和微控制器接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。

高壓模塊采用的是兩塊電壓調(diào)節(jié)型高壓輸出范圍為0V～+1500V的高壓模塊和高壓輸出范圍為0V～-1500V的高壓模塊。供電電壓為+12V,輸出的高壓值經(jīng)高壓模塊的控制引腳的電壓值進(jìn)行控制,控制電壓為0～10V,0V對(duì)應(yīng)輸出電壓的0V,10V對(duì)應(yīng)輸出電壓的+1500V或-1500V。

3.2 高壓控制電路基本原理

高壓控制電路原理圖如圖2。該電路選用LPC1768的SSP0作為控制DAC接口,SSP0接口的SSEL0引腳外接一個(gè)上拉電阻,SSEL0管腳被設(shè)置為高電平,單片機(jī)因而被設(shè)置作為總線主機(jī)。LPC1768的SSP0接口的其他幾個(gè)引腳與AD5724芯片的對(duì)應(yīng)引腳依次相連。根據(jù)AD5724的產(chǎn)品手冊(cè),為了使AD5724芯片正常工作,還需對(duì)AD5724的SYNC、LDAC以及CLR引腳進(jìn)行設(shè)置,該3引腳分別與LPC1768的P0[25]、P0[24]和P0[23]管腳相連。在單片機(jī)程序初始化時(shí),配置P0[25]、P0[24]和P0[23]為通用I/O引腳。然后在主程序中依次設(shè)置不同的電壓調(diào)整值,再將設(shè)置的電壓調(diào)整值與對(duì)應(yīng)的探測(cè)器類型關(guān)聯(lián)起來,并由按鍵外部中斷控制探測(cè)器類型的選擇。這樣高壓控制電路利用輸出不同調(diào)整電壓即達(dá)到控制高壓模塊輸出不同高壓值的目的。

圖2 高壓控制電路原理圖

3.3 高壓計(jì)算公式

對(duì)于正高壓模塊,正高壓輸出計(jì)算公式可由式(1)確定:

(1)

對(duì)于負(fù)高壓模塊,負(fù)高壓輸出計(jì)算公式可由式(2)確定:

式中+1500÷10和-1500÷10分別表示高壓模塊的高壓調(diào)整系數(shù),8表示AD5724芯片的輸出范圍為±10V時(shí)的增益值,2.5是REFIN引腳上施加的基準(zhǔn)電壓。D是載入DAC的代碼的十進(jìn)制等效值。

4 軟件設(shè)計(jì)

高壓電源電路的設(shè)計(jì)是為了給八種輻射探測(cè)器提供不同的工作高壓。輻射探測(cè)器和高壓值對(duì)應(yīng)表如表1所示。

輻射探測(cè)器高壓智能電源的軟件程序是為了給八種輻射探測(cè)器提供不同的工作高壓。程序流程圖如圖3所示。

表1 探測(cè)器類型與高壓值對(duì)應(yīng)表

圖3 高壓控制軟件流程圖

主要程序偽代碼如下:

SystemInit(); 系統(tǒng)初始化

InitialDAC; 初始化DAC

a. 配置P0.17用于SSP0-DAC-MISO

b. 配置P0.18用于SSP0-DAC-MOSI

c. 配置P0.25用于DAC-SY

d. 配置P0.23、P0.24 為通用引腳

e. 配置P0.23、P0.24 為輸出引腳

void Initial; 初始化IO

while 1

dogc_SETIndex←通道號(hào)

if gc_SETIndex=1 then call SETDAC0() //設(shè)置通道1對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=2 then call SETDAC1() //設(shè)置通道2對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=3 then call SETDAC2() //設(shè)置通道3對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=4 then call SETDAC3() //設(shè)置通道4對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=5 then call SETDAC4() //設(shè)置通道5對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=6 then call SETDAC5() //設(shè)置通道6對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=7 then call SETDAC6() //設(shè)置通道7對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

else if gc_SETIndex=8 then call SETDAC7() //設(shè)置通道8對(duì)應(yīng)高壓調(diào)整值

以設(shè)置通道1高壓為例,設(shè)置通道對(duì)應(yīng)電壓程序源代碼如下:

void SETDAC0(void) //8個(gè)通道依次對(duì)應(yīng)0～7的8個(gè)數(shù)值

{

SetPIN(0,23); //設(shè)置P0[23]為高電平

ClearPIN(0,24); //設(shè)置P0[24]為低電平

DAC_ON; //設(shè)置P0[25]為低電平

SPI_MSendData(0x0C); //設(shè)置電壓輸出范圍為±10V

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x04);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x10); //參考電壓設(shè)置為外置參考電壓

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x0F);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x01); //設(shè)置VOUTB的值為2.8V,VHV=+420V

SPI_MSendData(0x23);

SPI_MSendData(0xD0);

DAC_OFF;

}

5 電路測(cè)試

該高壓電源電路經(jīng)過綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試,輸出高壓精度、穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)試,最終使各參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

理論高壓值與實(shí)測(cè)高壓值對(duì)照表如表2所示。

表2 理論高壓值與實(shí)測(cè)高壓值對(duì)照表

6 結(jié)語

以LPC1768嵌入式單片機(jī)與AD5724數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為基礎(chǔ),通過硬件和軟件相結(jié)合的方式控制高壓模塊的輸出,滿足了市場(chǎng)上常見的大部分類型探測(cè)器的高壓需求。目前該電源已成功應(yīng)用于軍用核反應(yīng)堆及核電站輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。實(shí)踐證明:該電源系統(tǒng)提高了核探測(cè)儀器的穩(wěn)定度和智能化程度,同時(shí)體積小、重量輕,模塊化程度高,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[2] LPC17xx User manual Rev.01. 2010.

[3] AD5724/AD5734/AD5754 Datasheet.

[4] 王經(jīng)瑾,范天民,錢永庚.《核電子學(xué)》.清華大學(xué)工程物理系試用教材:5-32.

Adjustabie High-voltage Power Design of Radioactive Detector Based on the SCM Technology

YU Fangwei

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan 430205)

This paper introduces a broad-range adjustable high-voltage power supply design based on SCM technology. It can be applied to a high-voltage fault diagnosis of various Kid of nuclear radioactive detectors. This technology is a new way for fault orientation and diagnosis of nuclear radiation system with nuclear power device.

fault diagnosis, high-woltage, SCM, nuclear radioactive detector

2014年11月5日,

2014年12月27日

余方偉,男,工程師,研究方向:控制技術(shù)。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.042