基于FPGA的数字化棒控技术研究

蔡晨

【摘 要】本文介绍了将FPGA（Field Programmable Gate Array现场可编程逻辑阵列）技术应用于反应堆棒控系统的概况。利用FPGA丰富的逻辑资源，编程的灵活性等特点来实现反应堆棒控系统的复杂逻辑电路，电路结构简单明了，将大量复杂的逻辑电路集成到一块FPGA芯片中，提高了系统的可靠性与稳定性，解决了原有模拟电路的很多固有缺陷，提高了系统的抗干扰性能，实现了设备数字化与小型化。

【关键词】FPGA；DDS；棒控系统

Research on Reactor Rod Control Indicating System Based on FPGA

CAI Chen

（Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】A application of FPGA（Field Programmable Gate Array）in reactor rod control a indicating system is presented.To take advantage of plentiful logic elements and flexible programmable characteristic of FPGA， the complex logic circuits in reactor rod control and rod position indicating system are integrated in one FPGA chip.The application of FPGA eliminates the intrinsic defects of traditional analog integrated circuit and improves the reliability and stability of system.With simple circuit structure， the system has high anti-noise performance and characteristic of miniaturization.

【Key words】FPGA； DDS； Reactor rod control and Rod Position Indicating System

0 前言

随着计算机技术的发展，反应堆仪控系统数字化将是必然的趋势。反应堆棒控系统将充分发挥数字化设备的优势，在设备研制过程中通过功能集成达到设备小型化，利用数字化技术提高设备的整体性能。

FPGA（Field Programmable Gate Array现场可编程逻辑阵列）是一种基于查找表结构的可编程逻辑器件，其配置灵活、功能强大、修改方便、可靠性高等优点成为数字信号处理的理想选择。在各种高可靠性需求领域都已经有很广泛的应用，如NASA（美国航空航天局）的火星侦察卫星（MRO）、火星探测登陆车（Mars Exploration Rover）勇气号和机遇号等超过300个太空计划中都使用了很多的FPGA芯片。可以使用FPGA的可编程逻辑资源实现复杂的算法。从可靠性来说，CPU本身的结构特点与软件指令的工作方式决定了任何CPU都不可能获得圆满的容错保障，而FPGA首先是纯硬件电路构成，所以用FPGA实现控制逻辑能在一定程度上提高系统的可靠性。FPGA支持在线编程，可以很方便的修改设计，具有很好的灵活性。新一代的FPGA甚至集成了中央处理器（CPU）或数字处理器（DSP），在一片FPGA上进行软硬件协同设计，同时FPGA大量的可配置I/O引脚和内部集成的大量双端口RAM、FIFO和IP核，使它完全可以代替分立式的单片机和双端口RAM，从而进一步解决分立式器件可靠性和电磁兼容性等方面的问题。

本文利用FPGA技术对棒控系统进行研究。采用FPGA的数字化棒控系统与传统的采用分立式器件和模拟技术的棒控系统相比，测量精度更高，调试方便，易于修改，电路结构简单明了，可扩展性好，设备体积将减小，且信息传输方便。

1 总体技术方案

1.1 设备功能

控制棒驱动系统（简称棒控系统）的主要功能是处理功率调节装置的功率调节信号，处理保护装置的紧急停堆信号，处理操作台的控制信号，根据功率调节装置和保护装置的要求驱动控制棒驱动机构。棒控系统是反应堆仪表装置中很重要的设备，必须有很高的可靠性，对逻辑电路的抗干扰能力，长时间稳定运行等能力要求非常严格，如果棒控系统不能正确处理控制指令或者由于自身原因误发信号都将严重影响反应堆的正常运行，选用FPGA来实现棒控系统的逻辑可以在一定程度上提高系统的可靠性。

1.2 技术方案

功率调节装置传送的信号包含有一些模拟信号，这些模拟信号不能直接被棒控系统逻辑电路使用，需要外接的数据转换器对数据进行处理，保护装置的紧急停堆信号也需要进行电平转换。所有转换后的控制信号再经过棒控系统的逻辑电路处理，最后由棒控系统的逻辑电路产生驱动控制棒驱动机构的低频信号，低频信号经过大功率模块放大成为大电流信号，从而驱动控制棒驱动机构。

棒控系统框图如图1所示。

图1 棒控系统框图

整个棒控系统分为七大模块，其中高速A/D采样、输入信号隔离、输出隔离驱动放大、驱动大功率模块电路需要在FPGA外部实现，数据前端处理、控制信号处理与DDS系统、时钟管理等模块放在FPGA内实现。

基于FPGA的反应堆棒控系统主要包括数据采集模块，数据转换模块，DDS核心模块。数据采集模块的功能是处理模拟信号，将模拟信号转换为数字信号；数据转换模块的功能是对数据进行调整以及简单逻辑处理；DDS核心模块的功能是根据系统需要发出所需要的低频信号。

1.3 关键技术及实现方法

1.3.1 数据采集及转换

本系统是基于FPGA的棒控系统，但是FPGA本身不具有处理模拟信号的能力，所以需要外接A/D转换器进行数据转换，在FPGA内部使用一个状态机实现对A/D转换器的控制。FPGA通过内部PLL提供给A/D转换器工作时钟，并且将A/D转换的数据存储到内部FIFO中。

从功率调节装置输送过来的信号、保护装置传送过来的信号、控制台传送过来的信号经过硬件处理以后，还需要在FPGA内部经过一系列逻辑处理转换才能形成控制信号。如A/D转换的数据需要进行线性限幅调整，调整后的数据再提供给后面的模块使用。

为了提高系统的可靠性还对某些关键信号进行数字滤波处理。由于该系统工作在恶劣的电磁环境中，开关的抖动、电磁干扰等原因都可能在控制信号中叠加上一些噪声信号；以往的经验是在控制信号中有高频噪声的引入，所以对关键控制信号采取数字低通滤波等措施是很重要的。由于在芯片内采用滤波，这样滤波后的信号在芯片内传输避免了二次污染。

1.3.2 DDS技术

基于FPGA的棒控系统核心依靠DDS（直接数字频率合成）技术，采用DDS原理的优点在于输出信号频率与频率控制字的线性关系较好，且受温度影响很小，同步性能好。市面上的专用DDS芯片工作频率都很高，由于棒控系统输出的频率要求比较低，不适合选用专用的DDS芯片来实现，而且除了DDS以外还需要很多数据转换和控制电路，所以本系统选用FPGA来实现。DDS原理如图2所示。

图2 DDS原理

N位频率控制字接在M位累加器的一个输入端，这里N

1.3.3 信息传输技术

随着计算机及电子技术的发展，各种系统之间和系统内部进行通讯的数据越来越多，采用硬连线的传统数据传输技术已无法完全满足其应用需求，因此，各种总线传输技术应运而生。而其中的CAN总线作为一种成熟、高可靠性、高速的总线技术在各种领域得到了广泛应用。

CAN（Controller Area Network）总线，即控制器局域网是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主机方式的串行通讯总线，具有自动优先度仲裁、自动错误识别、抗干扰能力强等特性，可以提供可靠高速的数据传输，其最高传输速率可达1Mbps。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中，如汽车、制造业、航空工业等。

传统的CAN总线新产品实现通常采用两种方案：第一种方案为单片机+独立的CAN控制器+独立的CAN收发器；第二种方案为内置CAN控制器的单片机+独立的CAN收发器。由于本系统以FPGA技术为基础平台，因此可采用类似的方案：FPGA+独立的CAN控制器+独立的CAN收发器。其中CAN控制器采用SJA1000，CAN收发器采用TJA1050。

为提供良好的可扩展性，本系统中设计了四路CAN，可实现冗余的CAN网关的功能，如图3所示。

2 试验验证

将基于FPGA的控制棒棒控技术下载到目标电路板进行调试，同时模拟各种情况下棒控系统的输入状态，测试得到的输出结果的功能均满足设计要求。对性能的测试主要是系统输出频率对输入模拟电压的响应精度，部分试验测试数据与理论数据的比较，通过数据可以看出测试值与理论值误差很微小，在设计误差范围内，满足了设计要求。该控制棒棒控系统经过累计100小时长时间运行考验，在运行过程中没有出现任何异常现象，通过各种严格测试保障了棒控系统稳定可靠的运行。

为了测试同组棒提棒的一致性，我们使用外部行程计数器对相同的两个系统进行行程计数。对两个系统施加相同的运行参数，在行程计数器计数到5000mm时两个系统的计数能保证完全一致，没有任何的偏差。改变运行参数，两个系统的计数均能保证完全一致。通过以上测试，可以证明同组棒提棒的一致性是满足设计要求的，大大改善了原有棒控系统提棒不一致的情况。

为了验证基于FPGA的棒控系统与驱动机构的匹配性，我们进行了目标电路板与驱动机构的配合试验。试验结果表明，在各种运行频率下，驱动机构均运行平稳且驱动电流满足使用要求。

3 结束语

本文介绍了将FPGA技术应用于反应堆棒控系统的概况。利用FPGA丰富的逻辑资源，编程的灵活性等特点来实现反应堆棒控系统的复杂逻辑电路，电路结构简单明了，将大量复杂的逻辑电路集成到一块FPGA芯片中，提高了系统的可靠性与稳定性，解决了原有模拟电路的很多固有缺陷，提高了系统的抗干扰性能，实现了设备小型化。FPGA技术在反应堆棒控系统的成功应用将对反应堆仪控系统数字化进程起到了重要的推动作用。

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[责任编辑：汤静]