核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室□賈藝歌 馬 宇 趙 洋 原艷南

反應(yīng)堆保護(hù)裝置是一回路核儀表系統(tǒng)重要的安全設(shè)備，主要功能是檢測(cè)反應(yīng)堆核測(cè)量裝置、現(xiàn)場(chǎng)傳感器等由安全分析所選定的變量。通過(guò)對(duì)比采集數(shù)據(jù)與標(biāo)定值，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)，完成反應(yīng)堆快速停堆、驅(qū)動(dòng)專設(shè)安全設(shè)備，減小并限制事故產(chǎn)生后果。針對(duì)保護(hù)裝置輸入輸出信號(hào)種類多、數(shù)量大、關(guān)系復(fù)雜、接口定義無(wú)規(guī)律等特點(diǎn)，設(shè)備設(shè)計(jì)需從測(cè)試安全性、準(zhǔn)確性、易用性出發(fā)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

（1）自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需具備一定復(fù)用性，為平臺(tái)化測(cè)試核控設(shè)備奠定基礎(chǔ)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為硬件網(wǎng)絡(luò)控制層、頂層邏輯開(kāi)發(fā)層。其中頂層邏輯開(kāi)發(fā)層設(shè)計(jì)與硬件底層解耦，便于后續(xù)平臺(tái)化開(kāi)發(fā)；硬件網(wǎng)絡(luò)控制層應(yīng)采用適用于多種類輸入輸出信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景，便于擴(kuò)展。保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

保護(hù)裝置自動(dòng)測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)包括：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)采用以矩陣開(kāi)關(guān)為核心，具備存儲(chǔ)、電源監(jiān)控等功能；其中軟件設(shè)計(jì)采用主從架構(gòu)，通過(guò)上位機(jī)與FPGA實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)，具備人機(jī)交互、流程控制等功能。

（2）自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計(jì)

上位機(jī)與FPGA約定RAM表狀態(tài)區(qū)間，以異步的方式在主機(jī)與從機(jī)間傳遞報(bào)文信息，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與FPGA的物理隔離，主從解耦，報(bào)文信息幀格式如表1所示。

表1 Modbus RTU信息幀格式

FPGA主要完成硬件控制驅(qū)動(dòng)、命令編解碼、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯、矩陣控制等功能，解析上位機(jī)下發(fā)命令并進(jìn)行甄別，完成對(duì)應(yīng)命令操作；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)命令啟動(dòng)、構(gòu)建測(cè)試工作流程、設(shè)計(jì)測(cè)試邏輯、完成數(shù)據(jù)處理以及人際交互界面。通過(guò)劃分RAM表實(shí)現(xiàn)主從機(jī)信息交互，保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)流程是通過(guò)RAM進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過(guò)分析不同產(chǎn)品接口數(shù)量與功能差異，利用矩陣開(kāi)關(guān)搭建適用于核控設(shè)備后續(xù)維護(hù)保障系統(tǒng)，便于后續(xù)設(shè)備可持續(xù)性維護(hù)開(kāi)發(fā)。其中自動(dòng)化測(cè)試裝置硬件的電源系統(tǒng)由熱插拔模塊、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、電源監(jiān)控模塊、可調(diào)電源模塊構(gòu)成。

（1）硬件系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)若從安全可靠出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要從以下五點(diǎn)進(jìn)行完善：第一上電自檢；第二被測(cè)對(duì)象精準(zhǔn)對(duì)號(hào)；第三對(duì)輸出激勵(lì)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控；第四強(qiáng)電電氣隔離；第五弱電信號(hào)隔離，并完成回采并實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）矩陣開(kāi)關(guān)模塊

由于保護(hù)系統(tǒng)插件種類繁多，接口定義不一，部分插件雖然具有相同外接端口，但測(cè)試激勵(lì)信息差別較大，且需要多種類電氣信號(hào)完成測(cè)試工作，因此需采用矩陣開(kāi)關(guān)作為硬件測(cè)試的核心。

由于插件接口的復(fù)用，每個(gè)插件金手指引腳的定義各不相同，為保證輸入輸出信號(hào)的自由組合，擬通過(guò)開(kāi)關(guān)切換矩陣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接口的自動(dòng)適配功能。其中每個(gè)開(kāi)關(guān)均由FPGA單獨(dú)控制，矩陣狀態(tài)默認(rèn)為各信號(hào)端及各接口引腳端均為懸空狀態(tài)，當(dāng)根據(jù)控制邏輯需將某一路信號(hào)源與某一接口接通時(shí)，控制對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)閉合。同時(shí)在設(shè)計(jì)上游統(tǒng)籌考慮24種板卡所有輸入、輸出情況，最大限度簡(jiǎn)化矩陣開(kāi)關(guān)模塊。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用FPGA與上位機(jī)搭建完成，通過(guò)人機(jī)交互界面、測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)等方式，控制ADC、DAC、矩陣開(kāi)關(guān)的輸出，推進(jìn)測(cè)試流程，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析，設(shè)計(jì)分層式架構(gòu)邏輯，增強(qiáng)測(cè)試軟件的復(fù)用性。

（1）FPGA設(shè)計(jì)

FPGA設(shè)計(jì)通信協(xié)轉(zhuǎn)模塊、協(xié)議解析模塊、RAM控制模塊、硬件管理模塊、命令接口模塊。解析過(guò)程采用隔離冗余設(shè)計(jì)，固化RAM區(qū)域。

通信協(xié)議模塊完成上位機(jī)與FPGA的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，將有效數(shù)據(jù)抓取并暫存至RAM表特定位置；頂層解析模塊主要由命令解析模塊、矩陣測(cè)試模塊、硬件驅(qū)動(dòng)接口模塊組成，通過(guò)頂層解析協(xié)調(diào)下，各子模塊有序工作。命令解析模塊周期刷新命令區(qū)抓取有效信息，接收命令并驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)；矩陣測(cè)試模塊控制硬件驅(qū)動(dòng)，配合硬件驅(qū)動(dòng)接口模塊，將采樣數(shù)據(jù)傳輸至RAM，完成命令動(dòng)作。依據(jù)測(cè)試特點(diǎn)設(shè)計(jì)工作模式與命令集，工作模式分為配置模式、測(cè)試模式、查詢模式如圖2所示。

圖2 FPGA命令集框架概念圖

（2）上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由分為三層構(gòu)成，分別為交互層、中間層、基礎(chǔ)層。交互層封裝包含的主要為便攜式保護(hù)工裝的具體整體功能，與操作人員使用直接相關(guān)；中間層封裝支撐便攜式工裝軟件的核心功能，包含整套系統(tǒng)的配置、相關(guān)的驅(qū)動(dòng)、測(cè)試用例的導(dǎo)入、測(cè)試邏輯；基礎(chǔ)層實(shí)現(xiàn)軟件除操作系統(tǒng)提供的功能之外，與便攜式保護(hù)工裝實(shí)現(xiàn)直接相關(guān)的基礎(chǔ)功能，其含串口的操作模塊、Modbus操作模塊、文件數(shù)據(jù)庫(kù)操作模塊。

1）上位機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流

便攜式保護(hù)工裝抽取相關(guān)功能特征，數(shù)據(jù)從界面操作觸發(fā)，對(duì)外實(shí)現(xiàn)日志數(shù)據(jù)、檢測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示；通信數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)庫(kù)、操作數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)對(duì)全局各個(gè)功能產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，最終錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，供操作人員、維護(hù)人員、開(kāi)發(fā)人員提取。

2）上位機(jī)軟件關(guān)鍵設(shè)計(jì)

①異步通信設(shè)計(jì)

便攜式保護(hù)工裝上位機(jī)與測(cè)試設(shè)備之間通信鏈路層采用RS232的串行通信，兩者之間的通信可靠程度直接關(guān)系到整套系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比，在上位機(jī)調(diào)用串口功能時(shí)，可采用異步方式通信。

②多線程設(shè)計(jì)

便攜式保護(hù)工裝軟件的上位機(jī)與下位機(jī)之間在通信應(yīng)用層上采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，上位機(jī)作Modbus主機(jī)，為提升通信效率，上位機(jī)控制主通信程序的運(yùn)行，當(dāng)接收到相應(yīng)的請(qǐng)求功能時(shí)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建線程生成一個(gè)負(fù)責(zé)處理當(dāng)前操作對(duì)象的通信連接，同時(shí)接收主消息并負(fù)責(zé)接收通信鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

4 總結(jié)

針對(duì)反應(yīng)堆保護(hù)裝置生產(chǎn)壽期短、測(cè)試任務(wù)重、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)環(huán)境惡劣等情況，設(shè)計(jì)保護(hù)裝置便攜式專用測(cè)試設(shè)備，完成了保護(hù)裝置多種類板卡的強(qiáng)電、弱電測(cè)試，極大地提高了維護(hù)保養(yǎng)工作的效率，為后續(xù)自動(dòng)化并行測(cè)試系統(tǒng)的完善提供研究基礎(chǔ)。由于軟件采用分層解耦式的開(kāi)發(fā)方式，為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，下一步的主要工作應(yīng)集中于矩陣開(kāi)關(guān)的選型與控制，設(shè)計(jì)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)且靈活配置的矩陣開(kāi)關(guān)元件，在最小限度改變的條件下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展設(shè)計(jì)。