許 超，羅向東

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150090)

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關(guān)于主從式核物位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)討論

許 超1，羅向東2

(1.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090； 2.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150090)

對(duì)基于多個(gè)多微處理器的從式核物位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程展開(kāi)闡述，就測(cè)量原理簡(jiǎn)單概括，著眼于其外部構(gòu)造、硬件電路、軟件編制及通信協(xié)議四個(gè)角度進(jìn)行分析，國(guó)內(nèi)多個(gè)大型發(fā)電廠都在除塵系統(tǒng)中對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用，成效非常顯著。

主從式；核物位；并行處理；多微處理器

全球化工、冶金、礦山、電力及建材等諸多行業(yè)的物位檢測(cè)、控制都大量運(yùn)用了物位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尤其是在一些環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，此系統(tǒng)發(fā)揮了無(wú)可替代的作用，例如高壓環(huán)境、高溫環(huán)境及腐蝕性極強(qiáng)的環(huán)境。

γ射線在穿過(guò)介質(zhì)的過(guò)程中，它的強(qiáng)度會(huì)慢慢被吸收，因而一步步減弱，基于此原理而成功研發(fā)出核物位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。探測(cè)器、輻射源、二次儀表是我國(guó)核物位計(jì)生產(chǎn)制作的三大構(gòu)件。而模擬信號(hào)檢測(cè)控制是二次儀表內(nèi)部運(yùn)用的主要模式，通過(guò)CPU即可將全部功能實(shí)現(xiàn)，包括信息處理、傳感器模塊狀態(tài)、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、上位機(jī)通信等，由此CPU承受的壓力巨大。若CPU故障，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)處于徹底癱瘓的狀態(tài)，無(wú)法妥善處理好報(bào)警信息。若多任務(wù)系統(tǒng)有著較高的實(shí)時(shí)性要求，單CPU結(jié)構(gòu)無(wú)力處理。為將此問(wèn)題妥善處理，本課題最終確定選用一個(gè)主微處理器和多個(gè)通道，從微處理器將主從式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功搭建。各通道微處理器實(shí)時(shí)采集、處理數(shù)據(jù)都是獨(dú)立開(kāi)展的，且獨(dú)立地就對(duì)應(yīng)通道輸出進(jìn)行控制。各通道微處理器并行工作的協(xié)調(diào)由主控微處理器負(fù)責(zé)，并對(duì)一些非實(shí)時(shí)工作進(jìn)行負(fù)責(zé)，例如，顯示數(shù)據(jù)、修改參數(shù)和上位機(jī)通信等。這一設(shè)計(jì)方案使系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定。

1 測(cè)量原理

核料位計(jì)的設(shè)計(jì)充分利用了介質(zhì)對(duì)r射線的吸收原理，吸收規(guī)律與比爾定律相契合，能夠通過(guò)下列函數(shù)來(lái)加以表示：

I=Ioe-ud

上述函數(shù)中：字母I、Io分別對(duì)應(yīng)射線被介質(zhì)吸收后、前的強(qiáng)度，μ、d分別對(duì)應(yīng)介質(zhì)吸收系數(shù)及厚度。

設(shè)I1、I2分別對(duì)應(yīng)容器內(nèi)存在介質(zhì)、不存在介質(zhì)的射線強(qiáng)度(也就是d2為0的情況下)。通過(guò)上式，存在I1=Ioe-ud1、I2=Ioe-ud2。

對(duì)于上面的式子，由于e-μd因子作用，導(dǎo)致I2?I1，判別并對(duì)比被測(cè)兩種狀態(tài)中射線強(qiáng)度，則能夠?qū)橘|(zhì)的“空”、“滿”作出判斷。

圖1 多通道核料位測(cè)量計(jì)原理示意圖Fig.1 Multi-channel nuclear level meter schematic diagram

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有三大構(gòu)件：輻射源、二次儀表及探頭。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)裝設(shè)探頭及輻射源，控制室裝設(shè)二次儀表。輻射源裝設(shè)的區(qū)域是經(jīng)過(guò)特別制造的工作鉛罐，此鉛罐有一個(gè)準(zhǔn)直孔，輻射源因此能夠射出較小直徑的射線束。此外，鉛罐中還配置有一開(kāi)關(guān)，負(fù)責(zé)對(duì)輻射源射出進(jìn)行控制。探頭外殼材料為金屬，可將諸多電磁輻射成功屏蔽，為內(nèi)部電路提供保護(hù)，與應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的諸多惡劣環(huán)境相適應(yīng)。

圖2 核物位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分外形結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Level monitoring system for nuclear shape structure of the parts

2.2 儀器硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分包括兩部分：探頭、二次儀表。其中二次儀表能配置八個(gè)探頭。

2.2.1 探頭

根據(jù)探測(cè)器差異，可將核儀表劃分成閃爍體、蓋革計(jì)數(shù)管、電離室多種類(lèi)型。通過(guò)對(duì)比分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終確定蓋革計(jì)數(shù)管作為探測(cè)器。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在實(shí)惠的價(jià)格、較為簡(jiǎn)單的外圍電路、溫度對(duì)其影響不大、較可靠的工作。缺點(diǎn)體現(xiàn)在閃爍體探測(cè)器探測(cè)效率不高。通過(guò)三個(gè)反向器，探測(cè)器傳輸而來(lái)的信號(hào)得以整形，以振蕩器控制開(kāi)關(guān)存在，通過(guò)整形、驅(qū)動(dòng)之后，振蕩器輸送至主機(jī)進(jìn)行處理。由于探測(cè)效率非常低，若處于低輻射計(jì)量這一環(huán)境，往往難以捕捉信號(hào)，此外信號(hào)統(tǒng)計(jì)存在著巨大的漲落。通過(guò)探頭電路處理的運(yùn)用，捕捉信號(hào)的工作不再有難度，儀器也因此變得更加靈敏。

2.2.2 二次儀表

本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬于分布式系統(tǒng)，是在51單片機(jī)基礎(chǔ)上研發(fā)的。圖3為二次儀表的電路圖，包括主控制器一個(gè)，通道控制器八個(gè)。通過(guò)主從方式的串行通信來(lái)交換主控制器和各通道控制器的信息，對(duì)于八個(gè)通道控制器，主控制器輪流進(jìn)行查詢(xún)，對(duì)于涉及自身的命令，各通道控制器會(huì)及時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。

圖3 二次儀表電路圖Fig.3 Schematic secondary instrument

2.2.2.1 主控制器

此部件的核心是單片機(jī)，對(duì)其他功能元件進(jìn)行擴(kuò)展顯示，例如，按鍵輸入、驅(qū)動(dòng)控制、參數(shù)掉電保存等，其功能在于對(duì)各通道的報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。此外，還可修改并儲(chǔ)存不同通道的預(yù)設(shè)參數(shù)。

a.最終采用的是有著較高性?xún)r(jià)比的AT89C52作為其單片機(jī)，內(nèi)設(shè)KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器一個(gè)，I/O口、中斷源、16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、優(yōu)先級(jí)結(jié)構(gòu)分別為32個(gè)、3個(gè)、6個(gè)，能夠與系統(tǒng)的要求相契合。

b.最終確定PS7219為其顯示驅(qū)動(dòng)控制。同步串行外設(shè)接口為其接口形式，能夠便捷地和所有的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)接口，此外，還能對(duì)靶位LED同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)時(shí)鐘，不要求有外部元件，有較為強(qiáng)大的顯示功能及較高的性?xún)r(jià)比。

2.2.2.2 通道控制器

此部件的核心在于AT89C2051單片機(jī)，對(duì)信號(hào)整形電路、繼電器驅(qū)動(dòng)輸出等部件進(jìn)行擴(kuò)展。各通道控制器負(fù)責(zé)獨(dú)立、并行實(shí)現(xiàn)對(duì)γ射線強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。通過(guò)整形，提供探頭輸送的信號(hào)至每個(gè)監(jiān)測(cè)通道的單片機(jī)之中，由其負(fù)責(zé)處理。對(duì)于傳輸而至的頻率信號(hào)，每個(gè)監(jiān)測(cè)通道單片機(jī)會(huì)進(jìn)行換算處理，使其成為γ射線強(qiáng)度值，并對(duì)比所監(jiān)測(cè)的γ射線強(qiáng)度值程序、設(shè)定的本通道γ射線下限強(qiáng)度值，若前者更低，則通道報(bào)警繼電器動(dòng)作。不同通道獨(dú)立并行開(kāi)展采集、處理數(shù)據(jù)的工作，有著較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)系統(tǒng)也因此變得更為可靠、穩(wěn)定。

2.3 通信協(xié)議

對(duì)于單片機(jī)多級(jí)系統(tǒng)，最終確定選用總線型主從式多級(jí)系統(tǒng)。在多個(gè)單片機(jī)內(nèi)，存在主機(jī)一個(gè)，剩下的皆屬于從機(jī)，主機(jī)負(fù)責(zé)支配并調(diào)度各從機(jī)，此即為主從式。此結(jié)構(gòu)非常適用于8051單片機(jī)的串行口工作方式2、3。

從8051單片機(jī)的串行口工作方式2、3，根據(jù)下列協(xié)議多機(jī)通信開(kāi)展相應(yīng)工作：第一，確保全部從機(jī)的SM2位置1所處的狀態(tài)是僅對(duì)地址幀進(jìn)行接收。第二，主機(jī)會(huì)將一幀地址信息發(fā)送，地址/數(shù)據(jù)信息標(biāo)志位為第八位、第九位，此位置屬于1。第三，將地址幀成功接收后，從機(jī)會(huì)對(duì)比其地址與接收的資質(zhì)。若相符，則SM2位清0，從而將后續(xù)輸送的主機(jī)全部信息進(jìn)行接收。若不符，則SM2的數(shù)值依舊為1，不理睬主機(jī)后續(xù)輸送的數(shù)據(jù)，一直到新地址幀的發(fā)送。第四，如果從機(jī)結(jié)束對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送，將一幀校驗(yàn)和發(fā)送，并置第9位為1，由此來(lái)標(biāo)志從機(jī)結(jié)束數(shù)據(jù)輸送。第五，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收期間，主機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志(RB8)會(huì)進(jìn)行判斷，如果其數(shù)值為1，意味著結(jié)束了數(shù)據(jù)傳送。此外，對(duì)這一幀的校驗(yàn)和進(jìn)行對(duì)比，如果是正確的，則將正確的信號(hào)OOH回送，使這一從機(jī)復(fù)位。如果校驗(yàn)和有一定差錯(cuò)，那么將OFFH發(fā)送，使這一從機(jī)對(duì)此數(shù)據(jù)重新發(fā)送。如果接受幀的數(shù)值為0，那么原始數(shù)據(jù)將會(huì)至緩沖區(qū)內(nèi)，且做好對(duì)下幀信息的接收準(zhǔn)備。第六，如果主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至從機(jī)，在第三步，從機(jī)對(duì)比地址證實(shí)其相契合，則從機(jī)會(huì)使SM2的數(shù)值為0，此外發(fā)送本站地址至主機(jī)。主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)僅在作為應(yīng)答后才可接收。對(duì)于地址(SM2=1)，其他從機(jī)會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，此時(shí)不能夠?qū)?shù)據(jù)接收。第七，從機(jī)應(yīng)答地址接收之后，主機(jī)會(huì)就地址正確性進(jìn)行確認(rèn)。若正確，那么清TB8，數(shù)據(jù)開(kāi)始輸送。不正確則會(huì)將復(fù)位信號(hào)(數(shù)據(jù)幀中TB8=1)發(fā)送出去。第八，將復(fù)位命令接收之后，從機(jī)將會(huì)回歸至監(jiān)聽(tīng)地址狀態(tài)(SM2=1)，與此相反則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行接收。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件最終確定的編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，由于程序具有可一致性，且便于后續(xù)調(diào)試、功能升級(jí)，最終確定模塊化程序設(shè)計(jì)方案，圖4為程序具體的流程圖。軟件涵蓋兩部分內(nèi)容，即主控制器、通道控制器。

圖4 主控制器軟件流程圖Fig.4 The main controller software flow chart

主控制器對(duì)各通道報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，修改并儲(chǔ)存不同通道的預(yù)設(shè)參數(shù)。通道控制器軟件基于對(duì)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器的控制來(lái)采集、處理數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，基于數(shù)據(jù)結(jié)果展開(kāi)輸出控制活動(dòng)。

圖5 各通道控制器軟件流程圖Fig.5 The channel controller software flow chart

3 結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多CPU設(shè)計(jì)思想、微處理器對(duì)信號(hào)的數(shù)字化處理技術(shù)等進(jìn)行運(yùn)用，依托抗干擾鑒別技術(shù)，系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在精確的測(cè)量、較快的反應(yīng)時(shí)間及較強(qiáng)的抗干擾能力，數(shù)字標(biāo)定、較高的測(cè)量靈敏度等方面，且若檢測(cè)點(diǎn)區(qū)域，其輻射強(qiáng)度為75 uR/h物位，可順利開(kāi)展工作。此外，安裝便捷，提供掉電保護(hù)的功能。一般集中控制、多點(diǎn)檢測(cè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多運(yùn)用此系統(tǒng)，僅需通過(guò)少量?jī)x器儀表即可實(shí)現(xiàn)高密度物位的集約化控制，其運(yùn)用前景非常理想。

[1] 馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機(jī)的c語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，1999.

[2] 姜志海，趙艷雷．單片機(jī)的c語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] ATMEL 89C52 用戶手冊(cè)[K]. Atmel Corporation，2010.

Microprocessor-based master-slave multi-core level monitoring system

XU Chao1, LUO Xiang-dong2

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China; 2. Technical Physics Institute of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

This paper introduces a number of multi-microprocessor based master-slave types of nuclear material level monitoring system. Description of the measuring principle was summarized from external architecture, hardware circuits, software programming and communication protocols. The system has achieved good effects and has applied in many power plants.

Master-slave mode; Nuclear material level; Parallel processing; Multiple microprocessors

2017-03-20

許超(1985-) ，男 ，碩士，助理會(huì)計(jì)師。

TP274

A

1674-8646(2017)08-0174-03