基于单片机技术的辐射探测器可调式高压电源设计*

余方伟

(海军驻武汉某研究所军事代表室 武汉 430205)



基于单片机技术的辐射探测器可调式高压电源设计*

余方伟

(海军驻武汉某研究所军事代表室 武汉 430205)

主要介绍了一种基于单片机技术的宽量程可调式高压电源设计,可应用于多种辐射探测器的高压故障诊断。该技术的应用,为辐射监测系统的故障快速定位与诊断探索出一条新途径。

故障诊断; 高压电源; 单片机; 辐射探测器

Class Number TP368.1

1 引言

电离室、3He计数管、盖革管和光电倍增管等辐射探测器是核工业仪表常用的辐射探测器,不同的探测器,要求加在探测器上的工作电压也不同。工作电压的准确性与探测器的探测效率以及探测器工作的稳定性紧密相关。

目前辐射探测器的高压电源设计基本可分为固定式和可调式,可调式高压电源又可以分为电阻调节型高压电源和电压调节型高压电源。本文将介绍一种电压可调式高压电源设计方案,调节范围可达-1500V～+1500V,用以给八种不同类型的辐射探测器提供高压电源。

2 基本原理

为了研制一款用于检测工业现场的辐射探测器和辐射二次仪表的故障诊断仪,需要设计一个体积小巧,并能产生多路稳定高压的电路。本高压电源设计方案选用的是电压调节型能产生高压范围为-1500V～+1500V的宽范围高压模块,高压模块的调制电压采用单片机的SPI串口总线输出控制指令,SPI串口总线数据经AD5724数模转换芯片转换成电压值,该电压值作为控制电压输出到正、负高压模块,与正、负高压模块组成一个高压可调电路,根据需要输出不同的高压值。该高压智能电源的系统框图如图1所示。

图1 高压可调电路系统原理图

3 硬件设计

3.1 电路芯片选型

本高压电源设计主控芯片采用的是NXP公司的LPC1768ARM处理器,LPC1768具有高性能、体积小、低功耗、片上可选择多种外设等优点,同时工作频率可达100MHz,LPC1768的片上外设,包括512KB的Flash存储器和64KB的数据存储器、四个通用32位定时器、12-bit ADC、两个SSP控制器和两个SPI接口,以及多达70个的通用I/O管脚等等。

数模转换芯片采用的是Analog Devices公司的AD5724R DAC芯片,该芯片具有四通道、12位、串行输入、电压输出等特点。AD5724芯片采用-12V和+12V双电源供电,参考电源可设为外置2.5V,也可设置为内置2.5V,标称满量程输出范围可通过软件设置。AD5724采用串行接口,能够以最高30MHz的时钟速率工作,并且与DSP和微控制器接口标准兼容。

高压模块采用的是两块电压调节型高压输出范围为0V～+1500V的高压模块和高压输出范围为0V～-1500V的高压模块。供电电压为+12V,输出的高压值经高压模块的控制引脚的电压值进行控制,控制电压为0～10V,0V对应输出电压的0V,10V对应输出电压的+1500V或-1500V。

3.2 高压控制电路基本原理

高压控制电路原理图如图2。该电路选用LPC1768的SSP0作为控制DAC接口,SSP0接口的SSEL0引脚外接一个上拉电阻,SSEL0管脚被设置为高电平,单片机因而被设置作为总线主机。LPC1768的SSP0接口的其他几个引脚与AD5724芯片的对应引脚依次相连。根据AD5724的产品手册,为了使AD5724芯片正常工作,还需对AD5724的SYNC、LDAC以及CLR引脚进行设置,该3引脚分别与LPC1768的P0[25]、P0[24]和P0[23]管脚相连。在单片机程序初始化时,配置P0[25]、P0[24]和P0[23]为通用I/O引脚。然后在主程序中依次设置不同的电压调整值,再将设置的电压调整值与对应的探测器类型关联起来,并由按键外部中断控制探测器类型的选择。这样高压控制电路利用输出不同调整电压即达到控制高压模块输出不同高压值的目的。

图2 高压控制电路原理图

3.3 高压计算公式

对于正高压模块,正高压输出计算公式可由式(1)确定:

(1)

对于负高压模块,负高压输出计算公式可由式(2)确定:

式中+1500÷10和-1500÷10分别表示高压模块的高压调整系数,8表示AD5724芯片的输出范围为±10V时的增益值,2.5是REFIN引脚上施加的基准电压。D是载入DAC的代码的十进制等效值。

4 软件设计

高压电源电路的设计是为了给八种辐射探测器提供不同的工作高压。辐射探测器和高压值对应表如表1所示。

辐射探测器高压智能电源的软件程序是为了给八种辐射探测器提供不同的工作高压。程序流程图如图3所示。

表1 探测器类型与高压值对应表

图3 高压控制软件流程图

主要程序伪代码如下:

SystemInit(); 系统初始化

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 为通用引脚

e. 配置P0.23、P0.24 为输出引脚

void Initial; 初始化IO

while 1

dogc_SETIndex←通道号

if gc_SETIndex=1 then call SETDAC0() //设置通道1对应高压调整值

else if gc_SETIndex=2 then call SETDAC1() //设置通道2对应高压调整值

else if gc_SETIndex=3 then call SETDAC2() //设置通道3对应高压调整值

else if gc_SETIndex=4 then call SETDAC3() //设置通道4对应高压调整值

else if gc_SETIndex=5 then call SETDAC4() //设置通道5对应高压调整值

else if gc_SETIndex=6 then call SETDAC5() //设置通道6对应高压调整值

else if gc_SETIndex=7 then call SETDAC6() //设置通道7对应高压调整值

else if gc_SETIndex=8 then call SETDAC7() //设置通道8对应高压调整值

以设置通道1高压为例,设置通道对应电压程序源代码如下:

void SETDAC0(void) //8个通道依次对应0～7的8个数值

{

SetPIN(0,23); //设置P0[23]为高电平

ClearPIN(0,24); //设置P0[24]为低电平

DAC_ON; //设置P0[25]为低电平

SPI_MSendData(0x0C); //设置电压输出范围为±10V

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x04);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x10); //参考电压设置为外置参考电压

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x0F);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x01); //设置VOUTB的值为2.8V,VHV=+420V

SPI_MSendData(0x23);

SPI_MSendData(0xD0);

DAC_OFF;

}

5 电路测试

该高压电源电路经过综合实验测试,输出高压精度、稳定性进行调试,最终使各参数达到设计要求。

理论高压值与实测高压值对照表如表2所示。

表2 理论高压值与实测高压值对照表

6 结语

以LPC1768嵌入式单片机与AD5724数模转换芯片为基础,通过硬件和软件相结合的方式控制高压模块的输出,满足了市场上常见的大部分类型探测器的高压需求。目前该电源已成功应用于军用核反应堆及核电站辐射监测领域。实践证明:该电源系统提高了核探测仪器的稳定度和智能化程度,同时体积小、重量轻,模块化程度高,具有广阔的应用前景。

[1] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

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

[3] AD5724/AD5734/AD5754 Datasheet.

[4] 王经瑾,范天民,钱永庚.《核电子学》.清华大学工程物理系试用教材: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

余方伟,男,工程师,研究方向:控制技术。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.042