关于主从式核物位监测系统的设计讨论

许 超，罗向东

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150090)



关于主从式核物位监测系统的设计讨论

许 超1，罗向东2

(1.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150090)

对基于多个多微处理器的从式核物位监测系统的整个设计过程展开阐述，就测量原理简单概括，着眼于其外部构造、硬件电路、软件编制及通信协议四个角度进行分析，国内多个大型发电厂都在除尘系统中对此系统进行运用，成效非常显著。

主从式；核物位；并行处理；多微处理器

全球化工、冶金、矿山、电力及建材等诸多行业的物位检测、控制都大量运用了物位监测系统，尤其是在一些环境较为恶劣的工业现场中，此系统发挥了无可替代的作用，例如高压环境、高温环境及腐蚀性极强的环境。

γ射线在穿过介质的过程中，它的强度会慢慢被吸收，因而一步步减弱，基于此原理而成功研发出核物位监测系统。探测器、辐射源、二次仪表是我国核物位计生产制作的三大构件。而模拟信号检测控制是二次仪表内部运用的主要模式，通过CPU即可将全部功能实现，包括信息处理、传感器模块状态、报警、数据显示、上位机通信等，由此CPU承受的压力巨大。若CPU故障，会导致系统处于彻底瘫痪的状态，无法妥善处理好报警信息。若多任务系统有着较高的实时性要求，单CPU结构无力处理。为将此问题妥善处理，本课题最终确定选用一个主微处理器和多个通道，从微处理器将主从式监测系统成功搭建。各通道微处理器实时采集、处理数据都是独立开展的，且独立地就对应通道输出进行控制。各通道微处理器并行工作的协调由主控微处理器负责，并对一些非实时工作进行负责，例如，显示数据、修改参数和上位机通信等。这一设计方案使系统更加可靠、稳定。

1 测量原理

核料位计的设计充分利用了介质对r射线的吸收原理，吸收规律与比尔定律相契合，能够通过下列函数来加以表示：

I=Ioe-ud

上述函数中：字母I、Io分别对应射线被介质吸收后、前的强度，μ、d分别对应介质吸收系数及厚度。

设I1、I2分别对应容器内存在介质、不存在介质的射线强度(也就是d2为0的情况下)。通过上式，存在I1=Ioe-ud1、I2=Ioe-ud2。

对于上面的式子，由于e-μd因子作用，导致I2≫I1，判别并对比被测两种状态中射线强度，则能够对介质的“空”、“满”作出判断。

图1 多通道核料位测量计原理示意图Fig.1 Multi-channel nuclear level meter schematic diagram

2 系统设计

2.1 外部结构设计

系统有三大构件：辐射源、二次仪表及探头。测量现场装设探头及辐射源，控制室装设二次仪表。辐射源装设的区域是经过特别制造的工作铅罐，此铅罐有一个准直孔，辐射源因此能够射出较小直径的射线束。此外，铅罐中还配置有一开关，负责对辐射源射出进行控制。探头外壳材料为金属，可将诸多电磁辐射成功屏蔽，为内部电路提供保护，与应用现场的诸多恶劣环境相适应。

图2 核物位监测系统各部分外形结构图Fig.2 Level monitoring system for nuclear shape structure of the parts

2.2 仪器硬件电路设计

硬件电路部分包括两部分：探头、二次仪表。其中二次仪表能配置八个探头。

2.2.1 探头

根据探测器差异，可将核仪表划分成闪烁体、盖革计数管、电离室多种类型。通过对比分析，本系统设计最终确定盖革计数管作为探测器。其优势体现在实惠的价格、较为简单的外围电路、温度对其影响不大、较可靠的工作。缺点体现在闪烁体探测器探测效率不高。通过三个反向器，探测器传输而来的信号得以整形，以振荡器控制开关存在，通过整形、驱动之后，振荡器输送至主机进行处理。由于探测效率非常低，若处于低辐射计量这一环境，往往难以捕捉信号，此外信号统计存在着巨大的涨落。通过探头电路处理的运用，捕捉信号的工作不再有难度，仪器也因此变得更加灵敏。

2.2.2 二次仪表

本课题设计的系统属于分布式系统，是在51单片机基础上研发的。图3为二次仪表的电路图，包括主控制器一个，通道控制器八个。通过主从方式的串行通信来交换主控制器和各通道控制器的信息，对于八个通道控制器，主控制器轮流进行查询，对于涉及自身的命令，各通道控制器会及时进行反应。

图3 二次仪表电路图Fig.3 Schematic secondary instrument

2.2.2.1 主控制器

此部件的核心是单片机，对其他功能元件进行扩展显示，例如，按键输入、驱动控制、参数掉电保存等，其功能在于对各通道的报警状态、实时数据进行显示。此外，还可修改并储存不同通道的预设参数。

a.最终采用的是有着较高性价比的AT89C52作为其单片机，内设KB闪速可编程/擦除只读存储器一个，I/O口、中断源、16位定时/计数器、优先级结构分别为32个、3个、6个，能够与系统的要求相契合。

b.最终确定PS7219为其显示驱动控制。同步串行外设接口为其接口形式，能够便捷地和所有的单片机实现接口，此外，还能对靶位LED同时进行驱动。芯片内设时钟，不要求有外部元件，有较为强大的显示功能及较高的性价比。

2.2.2.2 通道控制器

此部件的核心在于AT89C2051单片机，对信号整形电路、继电器驱动输出等部件进行扩展。各通道控制器负责独立、并行实现对γ射线强度的监测。通过整形，提供探头输送的信号至每个监测通道的单片机之中，由其负责处理。对于传输而至的频率信号，每个监测通道单片机会进行换算处理，使其成为γ射线强度值，并对比所监测的γ射线强度值程序、设定的本通道γ射线下限强度值，若前者更低，则通道报警继电器动作。不同通道独立并行开展采集、处理数据的工作，有着较强的实时性，同时系统也因此变得更为可靠、稳定。

2.3 通信协议

对于单片机多级系统，最终确定选用总线型主从式多级系统。在多个单片机内，存在主机一个，剩下的皆属于从机，主机负责支配并调度各从机，此即为主从式。此结构非常适用于8051单片机的串行口工作方式2、3。

从8051单片机的串行口工作方式2、3，根据下列协议多机通信开展相应工作：第一，确保全部从机的SM2位置1所处的状态是仅对地址帧进行接收。第二，主机会将一帧地址信息发送，地址/数据信息标志位为第八位、第九位，此位置属于1。第三，将地址帧成功接收后，从机会对比其地址与接收的资质。若相符，则SM2位清0，从而将后续输送的主机全部信息进行接收。若不符，则SM2的数值依旧为1，不理睬主机后续输送的数据，一直到新地址帧的发送。第四，如果从机结束对数据发送，将一帧校验和发送，并置第9位为1，由此来标志从机结束数据输送。第五，对数据进行接收期间，主机对于数据结束标志(RB8)会进行判断，如果其数值为1，意味着结束了数据传送。此外，对这一帧的校验和进行对比，如果是正确的，则将正确的信号OOH回送，使这一从机复位。如果校验和有一定差错，那么将OFFH发送，使这一从机对此数据重新发送。如果接受帧的数值为0，那么原始数据将会至缓冲区内，且做好对下帧信息的接收准备。第六，如果主机将数据发送至从机，在第三步，从机对比地址证实其相契合，则从机会使SM2的数值为0，此外发送本站地址至主机。主机发送的数据仅在作为应答后才可接收。对于地址(SM2=1)，其他从机会继续监听，此时不能够将数据接收。第七，从机应答地址接收之后，主机会就地址正确性进行确认。若正确，那么清TB8，数据开始输送。不正确则会将复位信号(数据帧中TB8=1)发送出去。第八，将复位命令接收之后，从机将会回归至监听地址状态(SM2=1)，与此相反则会对数据、命令进行接收。

2.4 软件设计

软件最终确定的编程语言是C语言，由于程序具有可一致性，且便于后续调试、功能升级，最终确定模块化程序设计方案，图4为程序具体的流程图。软件涵盖两部分内容，即主控制器、通道控制器。

图4 主控制器软件流程图Fig.4 The main controller software flow chart

主控制器对各通道报警状态、实时数据进行显示，修改并储存不同通道的预设参数。通道控制器软件基于对单片机内部计数器的控制来采集、处理数据信息，对其进行转化，基于数据结果展开输出控制活动。

图5 各通道控制器软件流程图Fig.5 The channel controller software flow chart

3 结语

本课题设计系统同时对多CPU设计思想、微处理器对信号的数字化处理技术等进行运用，依托抗干扰鉴别技术，系统具有诸多优点，体现在精确的测量、较快的反应时间及较强的抗干扰能力，数字标定、较高的测量灵敏度等方面，且若检测点区域，其辐射强度为75 uR/h物位，可顺利开展工作。此外，安装便捷，提供掉电保护的功能。一般集中控制、多点检测的工业现场多运用此系统，仅需通过少量仪器仪表即可实现高密度物位的集约化控制，其运用前景非常理想。

[1] 马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的c语言应用程序设计[M]．北京：航空航天大学出版社，1999.

[2] 姜志海，赵艳雷．单片机的c语言设计程序设计与应用[M]．北京：电子工业出版社，2008.

[3] ATMEL 89C52 用户手册[K]. Atmel Corporation，2010.

Microprocessor-based master-slave multi-core level monitoring system

XU Chao1, LUO Xiang-dong2

(1. Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province, Harbin 150090, China; 2. Technical Physics Institute of Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China)

This paper introduces a number of multi-microprocessor based master-slave types of nuclear material level monitoring system. Description of the measuring principle was summarized from external architecture, hardware circuits, software programming and communication protocols. The system has achieved good effects and has applied in many power plants.

Master-slave mode; Nuclear material level; Parallel processing; Multiple microprocessors

2017-03-20

许超(1985-) ，男 ，硕士，助理会计师。

TP274

A

1674-8646(2017)08-0174-03