针对核燃料运输的便捷冲击仪研究

向丘林，赵丽丽

（1.中核建中核燃料元件有限公司，四川　宜宾　644000；2.中国包装科研测试中心，天津　300457）

针对核燃料运输的便捷冲击仪研究

向丘林1，赵丽丽2

（1.中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾644000；2.中国包装科研测试中心，天津300457）

针对核燃料运输中的冲击监测问题，提出了一种低成本、便捷式、准确度高的监测方式。该冲击仪利用高集成度的MSP430F4152单片机和可自动捕获冲击的新型iMEMS加速度传感器，配合低功耗的液晶显示屏即可简单有效地充分满足核燃料运输中对冲击监测的需求，最后通过实验验证，证明此便捷冲击仪的准确度及精度均可满足要求。

核燃料运输；冲击；MSP430F4152；iMEMS传感器；液晶显示

1　引言

在核电厂的连续安全运行过程中会源源不断地需要新燃料组件，也会源源不断地产生核废料。基于我国核电厂主要分布在东南沿海，核燃料的生产及核废料处置库位于西部地区的现实情况，对核燃料的安全运输进行研究就具有非常重要的现实意义。核燃料的运输安全中，摆在首位的就是要确保核燃料本身的安全，因此在新燃料组件运输前都会采用特制的核燃料容器比如最常见的CNFC-3G型核燃料容器对其进行盛放，以对其进行缓冲，避免因为冲击或振动对其造成损坏。

目前针对核燃料运输安全的研究多围绕运输容器进行，对在运输过程中不同的运输工具、不同的路线、不同的路况下核燃料组件所受到的外部冲击情况研究较少。在核燃料运抵目的地时，如何快速有效地确认核燃料的安全性也是一个在核燃料运输中的难题。

因此，对核燃料在运输途中其容器所受的冲击状况进行研究并进行汇总分析，不但有助于核燃料容器的设计更新，更有助于我们在运输途中有效控制其运输安全及在运抵时快速有效地确认其是否收到损坏及其安全性。

2　冲击仪的硬件电路设计

本冲击仪的硬件系统框图如图1所示，由MCU模块、加速度传感器、LCD液晶显示模块、UART通信模块、电源模块、充电模块、JTAG仿真接口和按键模块8个部分组成。

2.1MCU

MSP430F4152是TI公司出品的一款超低功耗的16位精简指令集（RISC）混合信号处理器，此处理器内部在时钟方面做的很具有特色，采用数字控制振荡器（DCO）可以将系统从低功耗模式到唤醒模式的转换时间降低至6us。在对冲击仪的研究过程中，我们采用这款处理器的主要原因是其自带96段LCD驱动及其超低功耗的特性。

图1　冲击仪硬件框图

但此处理器也有一个相对的弱点就是其内置Flash存储器的容量较小只有4KB的程序存储区和256B的信息存储区，此外其内部RAM的容量也比较小，只有256B，因此在系统的控制代码和系统算法的编写时我们需要更加谨慎，尽量用更为精简的代码去实现所需的功能。

2.2加速度传感器

iMEMS半导体技术就是利用成熟的半导体工艺和材料，用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与电子电路集成在同一颗芯片上，从而大大地降低了整个系统的尺寸，极大地扩展了此项技术的应用场合。

本系统中采用的ADXL345加速度传感器就是利用这种技术实现了对三轴加速度的测量产生数字输出，配合多种中断模式从而降低了用户对加速度信号进行处理的难度，如图2所示。

图2　ADXL345与MCU连接示意图

需要特别指出的是，ADI的这款加速度传感器的中断模式非常多，通过这些中断模式我们可以很方便地实现加速度信号的采集及冲击事件的判别工作。跟中断模式相关的三个寄存器是中断使能（INT_ENABLE）、中断映射（INT_MAP）和中断源（INT_SOURCE）。这三个寄存器的位定义见表1，在中断使能寄存器中，置位表示此项中断功能使能；在中断映射寄存器中，置位表示此项功能映射至INT2管脚；而在中断源寄存器中，置位表示此项中断被触发。

表1　寄存器的位定义

在本系统的设计中，我们主要用到了单击及数据准备好两个功能。我们认为一个冲击事件会对核燃料造成损害，其作用时间及峰值必定会超过某一特定的值，并以此为本系统冲击事件捕获的一个依据。在图3中我们做了一个冲击事件的示意图。

图3　冲击事件示意图

在图中我们标注了THRESH阈值和T时间两个值，在ADXL345中分别对应了阈值（THRESH_TAP）和持续时间（DUR）两个寄存器。在两个寄存器进行适当的设置后，我们使能三轴的冲击捕获功能，有符合条件的冲击事件发生时，ADXL345就会给出单击事件中断，我们将此时的时间及计算出的三轴最值和综合值进行保存，此冲击事件即处理完毕。

若在监测到的冲击事件多于10个，我们将按照综合值进行排序并进行最大值覆盖，力争找到一个核燃料运输过程中所受到的最大冲击。

2.3LCD显示模块

在本系统中所使用的LCD显示屏的显示效果如图4所示，如在2016年1月14日10：53分所采集到的第2个冲击事件，其值为4.50g。冲击序号由从0到9的10个数字表示。

图4　LCD显示示意图

由于MSP430F4152处理器自带LCD驱动模块，因此我们只需要对LCD模块的寄存器进行配置就可以实现显示功能。

其初始化程序如下所示：

将P5端口的1-7号管脚配置为LCD功能引脚，并配置LCD_A模块的刷新频率为ACLK/128，4MUX模式。将S0-S31引脚使能为LCD_A模块功能引脚，清空LCD显示存储器，将LCD_A模块使能。

2.4UART通信模块

如图5所示的RS232电平转换示意图所示，本系统中并未采用MAX232等常规的RS232电平转换芯片，还是采用三极管、二极管、电阻和电容搭建的转换电路，经过试验验证此电路同样可以达到稳定进行电平转换的效果。

3　冲击仪软件设计

考虑到核燃料运输监测的特殊性，我们在做嵌入式软件设计时对参数的设置和监测数据的读取设计了UART端口和按键LCD显示相配合的两种方式，利用UART进行监测参数的设置和监测数据的读取操作逻辑相对简单，因此在图6所示的操作流程中不再对其进行表述。

如图6所示，在利用按键和LCD显示进行监测参数设置和监测数据读取时，为防止无操作权限的人员也能进行操作设置了密码输入界面，只有密码输入正确才能对仪器进行进一步的操作。

密码比对正确后，系统进入了设置菜单、读数菜单、擦除菜单、电压显示菜单和检测菜单五个同等级的菜单。点击相应的菜单就可进入此菜单进行相应的操作。

当按下关机按键时，系统进行关机操作。而存储在系统中的数据不会丢失。

图5　RS232电平转换示意图

4　数据分析

仪器设计完成后，我们对其进行了严格的实验室测试和实际运输使用的测试。在实验室测试时，为了使测试结果更接近真实的使用环境，在测试时更侧重于低G值的测试。在此选取了5台仪器进行3g、4g和5g测试时的数据列表见表2-表4，并对此次的测试结果的准确度和精密度根据国标GB/T 6379.2进行解析。

表2　5台仪器的3g测试数据

图6　操作流程示意图

表3　5台仪器的4g测试数据

表4　5台仪器的5g测试数据

表5　5台仪器的测试数据平均值

表6　各个仪器测试数据标准差

对于3.0g，其检验统计量值为：0.298；

对于4.0g，其检验统计量值为：0.383；

对于5.0g，其检验统计量值为：0.354。

由此可见此次测试没有歧离值，也没有离群值。

3.0g、4.0g和5.0g的总平均值、重复性标准差和再现性标准差的计算结果见表7。

表7　3.0g、4.0g和5.0g的总平均值、重复性标准差和再现性标准差

由此本冲击仪的精密度可以表述如下：

重复性标准差：

再现性标准差：

经过此次测试，我们可以得出结论此次设计的冲击仪其准确度、精密度、重复性及再现性都满足核燃料运输的实际监测要求。

5　结束语

通过实验室测试和实际使用测试，本次设计的便捷冲击仪可以准确地捕捉核燃料容器在运输过程中所受的冲击事件。在运输过程中，押运人员可以随时查看监测数据以便对运输过程进行随时地掌握，也可以在运输结束后将监测数据导出进行大数据的分析，并可将大数据分析的结果作用于核燃料容器的改进测试的依据。

［1］Texas Instruments.MSP430x4xx Family User's Guide［Z］.2013.

［2］Analog Devices.ADXL345 Data Sheet（Rev.D）［Z］.2013.

［3］赵丽丽，陈俊娟，王刚.电力设备运输监测仪研究［J］.物流技术，2015，（4）∶280-282.

Study on Portable Impact Meter Used in Nuclear Fuel Transportation

Xiang Qiulin1，Zhao Lili2
（1. CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.， Ltd.， Yibin 644000； 2. China Packing Research Test Center， Tianjin 300457， China）

In this paper，for the purpose of the impact detection in the transportation of the nuclear fuels，we proposed a low-cost，portable and highly accurate impact detection device.This impact meter consists of a highly integrated MSP430F4152 SCM and an innovative iMEMS acceleration transducer，and when equipped with a low-power LCD screen，could effectively satisfy the demand of impact detection in the nuclear fuel transportation process.At the end，through an experiment，we demonstrated the accuracy and precision of the device.

nuclear fuel transportation； impact； MSP430F4152； iMEMS transducer； LCD

F416.23；TL2

A

1005-152X（2016）03-0164-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.03.035

2016-02-05

向丘林（1970-），任职于中核建中核燃料元件有限公司核材料运输部，研究方向：放射性物品运输安全监管。