翟磊 高東博

摘要：核電廠棒位顯示的檢測(cè)裝置通常用格雷碼發(fā)生器，通過人為撥動(dòng)開關(guān)來模擬棒位，進(jìn)而檢測(cè)棒位的顯示系統(tǒng)是否工作正常，由于現(xiàn)用格雷碼發(fā)生裝置有體積大，測(cè)試時(shí)人為干預(yù)過多，操作攜帶麻煩等不利因素，因此研究設(shè)計(jì)一種以MCU為主導(dǎo)的便攜式智能格雷碼發(fā)生器裝置來實(shí)現(xiàn)棒位顯示的精準(zhǔn)檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：格雷碼信號(hào)發(fā)生器 棒位檢測(cè) 核電廠 單片機(jī) arduino

一、傳統(tǒng)格雷碼信號(hào)發(fā)生器測(cè)試裝置

核電廠每工作一定的時(shí)間需要對(duì)廠內(nèi)設(shè)備進(jìn)行例行檢測(cè)和維修，控制棒是核電廠反應(yīng)堆重要組成部件。各棒束的位置決定著反應(yīng)堆活性大小，因此棒束位置的顯示系統(tǒng)是核電廠重要系統(tǒng)之一，每一根棒的位置通常通過棒位系統(tǒng)的測(cè)量單元得到對(duì)應(yīng)的5位格雷碼數(shù)據(jù)，并將格雷碼數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖说陌粑伙@示單元，進(jìn)而顯示棒束當(dāng)前位置。在例行實(shí)驗(yàn)中為測(cè)試顯示棒位步數(shù)的準(zhǔn)確性和響應(yīng)性，現(xiàn)常用格雷碼信號(hào)發(fā)生器替代棒位檢測(cè)單元輸出格雷碼型號(hào)，依照測(cè)試程序進(jìn)行手動(dòng)給定格雷碼數(shù)據(jù)，并由主控室檢測(cè)顯示步數(shù)。

a）裝置結(jié)構(gòu)

目前格雷碼信號(hào)發(fā)生器是近似值為500*300*400（長(zhǎng)*寬*高，mm）的箱體。并且外部需接入220VAC工作電源，由普通數(shù)碼管顯示當(dāng)前輸出的格雷碼步數(shù)。在手動(dòng)測(cè)試區(qū)中集成多通道的測(cè)試撥檔開關(guān)，箱體背面是多通道的9孔串口輸出接口，用于輸出格雷碼步數(shù)。

b）測(cè)試

手動(dòng)測(cè)試：每個(gè)棒束的顯示由5個(gè)兩位開關(guān)的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)，即從0步到32步中的任一數(shù)值顯示了棒束位置。那么在手動(dòng)測(cè)試時(shí)，僅測(cè)試一根棒束，操作員就要對(duì)5個(gè)兩位開關(guān)進(jìn)行不斷的換撥，模擬出32個(gè)位置的觸發(fā)信號(hào)。

自動(dòng)測(cè)試：一般分為1步/分，6步/分，9步/分的速度選擇，實(shí)現(xiàn)單步自增加步數(shù)，并由棒位顯示的對(duì)比來判斷準(zhǔn)確與否。

c）缺點(diǎn)

箱體規(guī)格較大、笨重;在測(cè)試期間需有線電源才能工作;手動(dòng)測(cè)試時(shí)，對(duì)5個(gè)開關(guān)的操作是對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示單元，容易出現(xiàn)漏測(cè)，且效率低;每個(gè)輸出通道接一組線束，多通道輸出接線復(fù)雜，基于如此諸多不利因素，研發(fā)一種便攜式智能格雷碼信號(hào)發(fā)生器裝置是一個(gè)很有意義創(chuàng)新。

二、便攜式智能格雷碼信號(hào)發(fā)生器

除了滿足在役格雷碼信號(hào)發(fā)生器的功能外，研究的新型格雷碼信號(hào)發(fā)生器（后程便攜式發(fā)生器）還具備棒位顯示單元的故障診斷，無線連接，電源管理等功能。主要特色是輕便小巧，易于攜帶，采用內(nèi)置可充電鋰電池，省去外接電源。

1. 功能設(shè)計(jì)規(guī)劃

便攜式發(fā)生器采用Type-C口進(jìn)行充電、開關(guān)機(jī)按鍵設(shè)計(jì)為短按開機(jī)，長(zhǎng)按關(guān)機(jī)、手自動(dòng)切換按鍵、手動(dòng)步數(shù)增減按鍵和自動(dòng)增減步頻按鍵。信號(hào)輸出接口為5為格雷碼信號(hào)輸出端口，同時(shí)設(shè)計(jì)了DC15V棒位顯示單元供電輸出端口，使測(cè)試與被測(cè)單元都獨(dú)立于外接電源。在測(cè)試時(shí)通過檢測(cè)棒位顯示單元的電源電流判斷被測(cè)單元是否存在故障，設(shè)計(jì)留有無線藍(lán)牙接口，可連接外部智能無線終端來進(jìn)行測(cè)試工作，顯示單元采用128x64的OLED顯示屏，可顯示充電狀態(tài)，故障指示，手自動(dòng)選擇，測(cè)試數(shù)據(jù)等。

2. 硬件設(shè)計(jì)

◆Type-C充電端口和LIPO充電電路實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置鋰Lipo電池的充電功能;

◆電子電源開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)工作電源的控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)功能。當(dāng)開機(jī)時(shí)有按鍵觸發(fā)開機(jī)并由單片機(jī)控制電子開關(guān);當(dāng)關(guān)機(jī)時(shí)有單片機(jī)給出指令關(guān)閉電源。

◆工作電源BOOST是將電池電壓提升到穩(wěn)定的5V后為整個(gè)系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)升壓和穩(wěn)壓的功能。

◆15V供電BOOST是為外部被測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定的15V供電的電路，由單片機(jī)控制，只有當(dāng)啟動(dòng)測(cè)試后才有電壓輸出。當(dāng)正常測(cè)試時(shí)，由電流檢測(cè)測(cè)試被測(cè)設(shè)備的電流并反饋給單片機(jī)。

◆格雷碼輸出電路，是將單片機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行功率放大，并由輸出端口輸出。

◆單片機(jī)系統(tǒng)，是整個(gè)設(shè)備的核心，由內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。

◆按鍵電路和OLED顯示器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的人機(jī)交互，可以通過設(shè)置格雷碼發(fā)生器的工作模式和參數(shù)，并由OLED顯示當(dāng)前參數(shù)和狀態(tài)。

3. 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)設(shè)備的核心內(nèi)容，主要的工作流程是由按鍵啟動(dòng)電源后，軟件開始初始化并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);由“啟動(dòng)/停止”按鍵啟動(dòng)測(cè)試后，進(jìn)入工作狀態(tài)并輸出電源以及格雷碼信號(hào);需要關(guān)機(jī)時(shí)，長(zhǎng)按“電源”按鍵，單片機(jī)控制電源電路關(guān)閉，進(jìn)入到關(guān)機(jī)狀態(tài)。

待機(jī)狀態(tài)：進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，單片機(jī)對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化，并顯示當(dāng)前工作的狀態(tài)和參數(shù)，并等待按鍵的輸入，進(jìn)而執(zhí)行對(duì)應(yīng)的工作模式。通過‘電源/模式’按鍵切換工作模式：自動(dòng)模式->手動(dòng)模式->藍(lán)牙模式。具體流程見下圖：

自動(dòng)模式：當(dāng)OLED顯示“AUTO”時(shí)表示進(jìn)入了自動(dòng)工作模式，通過“啟動(dòng)/停止”按鍵啟動(dòng)后，可以自動(dòng)循環(huán)輸出格雷碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)棒位顯示系統(tǒng)快速測(cè)試，輸出信號(hào)的頻率快慢可以通過“加/減”按鍵設(shè)置。

手動(dòng)模式：當(dāng)OLED顯示“MANL”時(shí)表示進(jìn)入了手動(dòng)工作模式，同樣的由“啟動(dòng)/停止”按鍵控制啟停，啟動(dòng)后由按鍵“加”增加步數(shù)，由按鍵“減”減少步數(shù)，并直接由端口輸出?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)某一特定步數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

藍(lán)牙模式：可以通過智能終端，控制發(fā)生器的工作狀態(tài)和參數(shù)，適用于單人遠(yuǎn)距離測(cè)試操作，只需要將發(fā)生器插入到被測(cè)設(shè)備的輸入端口后，即可通過智能終端上的操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作和手動(dòng)工作的功能測(cè)試。

便攜式智能格雷碼發(fā)生器整體設(shè)計(jì)與以往發(fā)生器相比較，有效的減少了體積，同時(shí)不需要外部電源供電，因此可以作為一個(gè)便攜式儀器使用。在自動(dòng)工作模式時(shí)，由于采用了單片機(jī)軟件算法，因此可以有更高分辨率的速度輸出，相比較之前只有3檔的輸出有了很高的提升。核電的棒位檢測(cè)系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)在相距較遠(yuǎn)的位置式，可以采用藍(lán)牙模式，通過智能終端控制格雷碼信號(hào)的輸出，便工作人員測(cè)試使用。

參考文獻(xiàn)：

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