專利名稱：多樣性驅(qū)動(dòng)das系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信號(hào)處理技術(shù)，特別涉及一種基于FPGA技術(shù)的多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊。
背景技術(shù)：
在第三代數(shù)字化AP1000核電站控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同的核安全分級(jí)，采用安全級(jí)和非安全級(jí)兩個(gè)不同的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)安全控制功能。安全級(jí)平臺(tái)即保護(hù)和安全檢測(cè)系統(tǒng) (protection and safety monitoring system，PMS)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)的功能；非安全級(jí)平臺(tái)即電廠控制系統(tǒng)(plant control system，PLS)，實(shí)現(xiàn)核島/常規(guī)島/電廠配套設(shè)施 (balance of plant, BoP)大多數(shù)的控制功能。將這些可能受到共因故障影響的安全功能組合到一起，就組成了多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(dispersive actuation system, DAS)。DAS是獨(dú)立于PMS和PLS外的一個(gè)孤立系統(tǒng)。當(dāng)保護(hù)和安全檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)概率極低的共因故障時(shí)，DAS 系統(tǒng)用來觸發(fā)反應(yīng)堆緊急停堆和汽輪機(jī)停機(jī)，降低堆芯熔化和安全殼超壓的概率，起到PMS 和PLS后備系統(tǒng)的作用。
由于DAS系統(tǒng)是保護(hù)和安全檢測(cè)系統(tǒng)PMS和電廠控制系統(tǒng)PLS的備用性系統(tǒng)，因此它采用不同于PMS和PLS的結(jié)構(gòu)、硬件和軟件，這也是AP1000核電站控制系統(tǒng)在提高安全性措施方面的一項(xiàng)重要措施。DAS系統(tǒng)是一個(gè)完全基于硬件的系統(tǒng)，沒有軟件控制，主芯片采用FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)，硬件描述語言選用VHDL和Verilog HDL0所有的通信和數(shù)據(jù)處理功能都是在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊在DAS系統(tǒng)內(nèi)起到輸入電流電壓模擬信號(hào)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過RS485或光纖輸出定點(diǎn)數(shù)工程量值，給DAS系統(tǒng)內(nèi)的定值模塊、顯示模塊或者通信模塊。電流電壓調(diào)理模塊還可以接收通信模塊傳送來的標(biāo)定值k，b和工程量線形轉(zhuǎn)換A，B值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)DAS系統(tǒng)與安全檢測(cè)系統(tǒng)PMS、電廠控制系統(tǒng)PLS不兼容的問題，提出了一種多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，采用FPGA代替CPU，基于FPGA 技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成工程量值。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，包括以FPGA為核心的FPGA處理模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、AD采樣模塊、Flash模塊、RS485通信模塊、光纖通信模塊和電源電路，電流或電壓模擬信號(hào)首先通過模擬信號(hào)調(diào)理模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為OV 5V電壓信號(hào)送入AD采樣模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA 處理模塊，同時(shí)讀取Flash模塊內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號(hào)線CE和T)(D，輸出到光纖模塊和RS485模塊，光纖模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示模塊或定值模塊；RS485模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。3
所述AD采樣模塊將接收到的模擬信號(hào)后轉(zhuǎn)換為M位原碼，以隔離的SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊。
所述FPGA處理模塊通過SPI收發(fā)模塊將AD采樣模塊轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，取M位中的高16位進(jìn)行碼值轉(zhuǎn)換，同時(shí)讀取Flash模塊內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值k和b，對(duì)補(bǔ)碼進(jìn)行kx+b的標(biāo)定運(yùn)算，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行Ax+B線性轉(zhuǎn)換運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果放入U(xiǎn)ART發(fā)送模塊，UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊的UART輸出端口。
所述光纖模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，再進(jìn)入光纖驅(qū)動(dòng)， 成為光信號(hào)。
所述RS485模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)通過磁隔離芯片，進(jìn)入RS485驅(qū)動(dòng)， 成為差分信號(hào)。
所述FPGA處理模塊通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標(biāo)定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在Flash模塊的固定地址內(nèi)。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，采用與核電保護(hù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、核電廠控制系統(tǒng)完全不同的設(shè)計(jì)方案，有利于提高 AP1000核電系統(tǒng)的安全等級(jí)；采用硬件電路和FPGA設(shè)計(jì)，避免了軟件設(shè)計(jì)V&V認(rèn)證，加快了開發(fā)進(jìn)度；調(diào)理模塊采用隔離的RS485通信或光纖通信，提高了系統(tǒng)可靠性；調(diào)理模塊電流和電壓信號(hào)精度指標(biāo)高，響應(yīng)速度快。


圖1為本發(fā)明多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊原理框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示基于FPGA技術(shù)的多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓調(diào)理模塊原理框圖，包括以FPGA為核心的FPGA處理模塊1、模擬信號(hào)調(diào)理模塊7、AD采樣模塊2、Flash模塊3、 RS485通信模塊4、光纖通信模塊5和電源電路6 ；實(shí)施例一-電流模擬信號(hào)調(diào)理功能當(dāng)4mA 20mA電流模擬信號(hào)進(jìn)入該卡件時(shí)，首先通過模擬信號(hào)調(diào)理模塊7，把模擬信號(hào)處理為OV 5V電壓信號(hào)送入AD采樣模塊2，接收到模擬信號(hào)后AD芯片將其轉(zhuǎn)換為M位原碼，以隔離的SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊1，SPI的隔離采用磁耦，保證了現(xiàn)場信號(hào)與控制電路相互隔離，相互獨(dú)立。FPGA處理模塊1通過SPI收發(fā)模塊將AD采樣模塊 2轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，取M位中的高16位進(jìn)行碼值轉(zhuǎn)換，確保精度，從原碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，方便數(shù)據(jù)運(yùn)算，同時(shí)讀取Flash模塊3內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值k和b， 對(duì)補(bǔ)碼進(jìn)行kx+b的標(biāo)定運(yùn)算，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。由于電流信號(hào)碼值與工程量之間是線性的關(guān)系，因此經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行Ax+B線性轉(zhuǎn)換運(yùn)算，得到2字節(jié)長度的實(shí)際工程量值，最后補(bǔ)上1字節(jié)的固定小數(shù)點(diǎn)位，其中電流信號(hào)工程量值為2位小數(shù)點(diǎn)。小數(shù)點(diǎn)字節(jié)的定義見下表小數(shù)點(diǎn)字節(jié)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)00000001無小數(shù)點(diǎn)000000101位小數(shù)點(diǎn)[oooooioo 12位小數(shù)點(diǎn)I 所以電流信號(hào)的小數(shù)點(diǎn)字節(jié)為0x04，最后FPGA處理模塊1內(nèi)還組織了一個(gè)字節(jié)的診斷碼，連同2字節(jié)工程量值和1字節(jié)小數(shù)點(diǎn)位一起放入U(xiǎn)ART發(fā)送模塊。UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA的UART輸出端口。FPGA處理模塊1的UART端口一共有兩根信號(hào)線，CE和T)(D，分別進(jìn)入光纖模塊5和RS485模塊4。在光纖模塊5內(nèi)，先通過并串轉(zhuǎn)換，把CE和T)(D轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，再進(jìn)入光纖驅(qū)動(dòng)，成為光信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示模塊或定值模塊；在RS485模塊4內(nèi)，CE和T)(D通過磁隔離芯片，進(jìn)入RS485驅(qū)動(dòng)，成為差分信號(hào)，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
FPGA處理模塊1還可以通過RS485模塊4接收從通信模塊發(fā)來的標(biāo)定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在Flash模塊3的固定地址內(nèi)，供上電后第一次AD采樣數(shù)據(jù)的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)理模塊的熱插拔功能。
實(shí)施例二 -電壓模擬信號(hào)調(diào)理功能當(dāng)IV 10V電壓模擬信號(hào)進(jìn)入該卡件時(shí)，首先通過模擬信號(hào)調(diào)理模塊7，把模擬信號(hào)處理為OV 5V電壓信號(hào)送入AD采樣模塊2，接收到模擬信號(hào)后AD芯片將其轉(zhuǎn)換為M位原碼，以隔離的SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊1，SPI的隔離采用磁耦，保證了現(xiàn)場信號(hào)與控制電路相互隔離，相互獨(dú)立。FPGA處理模塊1通過SPI收發(fā)模塊將AD芯片轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，取M位中的高16位進(jìn)行碼值轉(zhuǎn)換，確保精度， 從原碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，方便數(shù)據(jù)運(yùn)算，同時(shí)讀取Flash模塊3內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值k和b，對(duì)補(bǔ)碼進(jìn)行kx+b的標(biāo)定運(yùn)算，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。由于電壓信號(hào)碼值與工程量之間是線性的關(guān)系，因此經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行Ax+B運(yùn)算，得到 2字節(jié)長度的實(shí)際工程量值，最后補(bǔ)上1字節(jié)的固定小數(shù)點(diǎn)位，其中電壓信號(hào)工程量值為1 位小數(shù)點(diǎn)。小數(shù)點(diǎn)字節(jié)的定義見下表小數(shù)點(diǎn)字節(jié)小數(shù)點(diǎn)位數(shù)00000001無小數(shù)點(diǎn)000000101位小數(shù)點(diǎn)000001002位小數(shù)點(diǎn)所以電壓信號(hào)的小數(shù)點(diǎn)字節(jié)為0x02，最后FPGA處理模塊1內(nèi)還組織了一個(gè)字節(jié)的診斷碼，連同2字節(jié)工程量值和1字節(jié)小數(shù)點(diǎn)位一起放入U(xiǎn)ART發(fā)送模塊。UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊1的UART輸出端口。FPGA處理模塊1 的UART端口一共有兩根信號(hào)線，CE和T)(D，分別進(jìn)入光纖模塊5和RS485模塊4。在光纖模塊5內(nèi)，先通過并串轉(zhuǎn)換，把CE和T)(D轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，再進(jìn)入光纖驅(qū)動(dòng)，成為光信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示模塊或定值模塊；在RS485模塊4內(nèi)，CE和T)(D通過磁隔離芯片，進(jìn)入RS485 驅(qū)動(dòng)，成為差分信號(hào)，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
FPGA處理模塊1還可以通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標(biāo)定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在Flash模塊3的固定地址內(nèi)，供上電后第一次AD采樣數(shù)據(jù)的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)理模塊的熱插拔功能。
權(quán)利要求
1.一種多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，包括以FPGA為核心的FPGA 處理模塊、模擬信號(hào)調(diào)理模塊、AD采樣模塊、Flash模塊、RS485通信模塊、光纖通信模塊和電源電路，其特征在于，電流或電壓模擬信號(hào)首先通過模擬信號(hào)調(diào)理模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為OV 5V電壓信號(hào)送入AD采樣模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA處理模塊， FPGA處理模塊同時(shí)讀取Flash模塊內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號(hào)線CE和T)(D，輸出到光纖模塊和RS485模塊，光纖模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示模塊或定值模塊；RS485模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，其特征在于， 所述AD采樣模塊將接收到的模擬信號(hào)后轉(zhuǎn)換為M位原碼，以隔離的SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，其特征在于， 所述FPGA處理模塊通過SPI收發(fā)模塊將AD采樣模塊轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，取M位中的高16位進(jìn)行碼值轉(zhuǎn)換，同時(shí)讀取Flash模塊內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值k和 b，對(duì)補(bǔ)碼進(jìn)行kx+b的標(biāo)定運(yùn)算，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行Ax+B線性轉(zhuǎn)換運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果放入U(xiǎn)ART發(fā)送模塊，UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊的UART輸出端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，其特征在于， 所述光纖模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)，再進(jìn)入光纖驅(qū)動(dòng)，成為光信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，其特征在于， 所述RS485模塊將CE和T)(D信號(hào)線得來的信號(hào)通過磁隔離芯片，進(jìn)入RS485驅(qū)動(dòng)，成為差分信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，其特征在于， 所述FPGA處理模塊通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標(biāo)定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在Flash模塊的固定地址內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多樣性驅(qū)動(dòng)DAS系統(tǒng)電流電壓模擬信號(hào)調(diào)理模塊，電流或電壓模擬信號(hào)首先通過模擬信號(hào)調(diào)理模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V～5V電壓信號(hào)送入AD采樣模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA處理模塊，同時(shí)讀取Flash模塊內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號(hào)線CE和TXD，輸出到光纖模塊和RS485模塊，光纖模塊將得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，發(fā)送到遠(yuǎn)程顯示模塊或定值模塊；RS485模塊將得來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。此調(diào)理模塊有利于提高AP1000核電系統(tǒng)的安全等級(jí)；；提高了系統(tǒng)可靠性；調(diào)理模塊電流和電壓信號(hào)精度指標(biāo)高，響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)H03M9/00GK102523001SQ20111042648
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者余小鵬, 孫旭華, 易鈴芳, 李煒瑋, 楊德甫, 楊振榮, 楊燁, 王鑫, 邵繼紅 申請(qǐng)人:上海自動(dòng)化儀表股份有限公司