基于FPGA技术高精度响应时间测试装置的研究与开发

黄 焜，杨 颖

（国核自仪系统工程有限公司 工程中心，上海 200241）

0 引言

核电厂的安全性至关重要，任何影响核电运行安全的可能风险都应消除。为保证核电厂在规定的运行限值和条件下运行，及时查明系统和部件的各种性能下降以及可能导致的不安全工况或者任何不良趋向，要求必须进行定期试验。以国内某非能动安全型核电机组为例，设计寿命周期60 年，每18 个月一次反应堆保护系统（以下简称：PMS）定期试验，则寿期内共进行40 次试验，其中包括PMS 仪表通道校准、PMS 驱动设备试验、PMS 响应时间试验等。其中，响应时间测试是PMS 的预运行试验项目，也是定期试验的重要内容，预运行试验需要完成4 个序列的响应时间测试，试验工期在30 天左右，定期试验通常安排在停堆换料期间进行，试验工期约7 天。

响应时间测试以往大多采用手动测试方法，通过多功能示波器单点、单回路模拟现场信号并同步记录响应时间，该方法测试效率低、工作量大。随着近几年测试技术的进步，国外仪控公司相继成功研发了基于CPU 的系统级响应时间测试装置，并有效地应用于实际测试中。该装置造价较高并受技术封锁，国外公司仅以租赁方式提供服务，单台设备单次计费高达200 万元人民币，完成机组寿期内定期响应时间测试预估耗费近8000 万元。因此，研究与开发具有自主知识产权的该套装置非常必要。

国核自仪系统工程有限公司研发的新一代基于FPGA技术的反应堆保护系统及其平台—— “和睿保护”NuPAC，是全球唯一一家同时取得美国核管会（NRC）及中国核安全局（HAF601）认证产品，为有效保障该系统在国产化非能动核电机组的安全应用，必须开发一套完全具有自主知识产权的响应时间测试装置。经过大量试验和分析表明，基于FPGA 技术测试装置较基于CPU 技术测试装置响应时间更快，测试精度由1ms 提高至0.1ms，工作效率更高，测试费用更低，预期下降70%。鉴于公司在FPGA 芯片集成及开发应用上的经验，组织研发基于FPGA 技术的PMS 响应时间测试装置非常必要，也具有先天优势。

1 设计方案

1.1 PMS响应时间测试

1.1.1 响应时间测试目的

验证保护系统具备技术规格书中要求的时间内完成RT/ESFAS 驱动的能力。响应时间测试使用测试装置进行测试，测试时需将被测序列与其他序列、现场就地设备断开连接，并与测试装置连接。通常在停堆换料期间进行，以减小PMS 误动或拒动的风险。对于有超前滞后补偿环节的参数，在进行响应时间测试前，需关闭超前滞后环节。

1.1.2 响应时间测试原理

通过响应时间测试装置，模拟现场传感器信号输入和其他序列的状态输入，触发被测序列驱动，并将该驱动信号输出至响应时间测试装置。响应时间测试装置将记录发出信号至收到驱动信号响应的时间，记录系统响应时间。

1.2 FPGA技术

当今社会，信息通信技术在人类的生活、工作、学习、娱乐等多方面起到了极其重要的作用，促进了全人类经济与文化的不断发展。其中，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）作为可编程逻辑器件的一种，因具有可即时编程、重复编程、可并行执行任务、使用灵活等其他电路没有的优点，在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事、航空航天等众多领域得到了广泛应用，目前已成为实现数字系统的主流平台之一。

图1 保护系统响应时间测试装置系统结构图Fig.1 System structure diagram of protection system response time test device

随着技术的进步，FPGA 生产成本不断降低，在密度、性价比、系统集成能力、可编程性等方面呈现出了明显优势。在无线通信、数字信号处理、图像以及语音处理、计算机网络等应用领域，现存的标准商品化CPU 和DSP 难以满足软件数据加密算法的速度要求，而且电路中其他大量的工作也占用CPU 与DSP 的资源，利用FPGA 的高度优化可编程硬件安全解决方案可以增强系统的并行处理能力，并且能够达到所要求的处理性能，利用实时性好，板内、板间自定义的高速接口，以FPGA 为核心的实时信号处理器的时钟延迟可以达到纳秒级，因此FPGA 非常适合超高速和实时信号处理领域。

本装置使用的FPGA 卡件具有128 个通道，采用Kintex-7 系列的新型FPGA，该系列具备大批量光学有线通信设备应用所需的高性能和低成本优化的串行连接性、存储器和逻辑性能，同时实现信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡，100Mhz 的时钟具有抖动小，同步精度高的特性。

1.3 系统总体结构

保护系统响应时间测试装置（下称“装置”）的系统结构如图1 所示，装置由两个机柜组成，分别为信号仿真与采集柜（SAC）和跨序列通讯模拟柜（ICC）。

1.3.1 信号仿真与采集柜

SAC 功能是用于向PMS 注入仿真的现场信号及采集PMS 的输出，并记录PMS 的响应时间。SAC 中包括一台基于PXI 平台的测试机箱，该机箱中配置了信号仿真和采集的相关卡件，包括电流输出卡件、电压输出卡件、数字输入卡件、脉冲输出卡件、继电器卡件以及计时卡件，这些卡件通过硬接线与被测PMS 连接，在单序列响应时间精度测试中模拟现场传感器信号以及手动开关信号注入PMS。基于PXI 机箱自带的背板触发总线实现各板卡间微秒级同步触发功能，保证了触发信号的同步性和响应时间的准确性。

除此之外，SAC 中配置的转接板，完成了信号由PXI板卡至高密度连接器的转接和调理工作；不间断电源模块可以提供5min 用电时间，提高测试装置的可靠性和稳定性。

1.3.2 跨序列通讯模拟柜系统结构

ICC 中包括光电转换器、通讯背板、通讯模块、处理器、数字量输入输出模块、连接器和端子等，该机箱采用与被测PMS 相同的设备。ICC 通过光纤与被测PMS 连接，SAC 与ICC 间使用硬接线连接，SAC 发送给ICC 的数字量硬接线信号作为ICC 的模拟跨序列通讯信号。因此，该装置是由位于SAC 的控制器来控制整套装置的运行的。

ICC 功能是用于仿真跨序列通讯信号和接收被测对象输出的跨序列通讯数据的机柜，为被测序列创建测试环境以及支持测试跨序列信号触发保护动作的响应时间。

2 测试装置精度测试

2.1 测试装置精度测量原理

响应时间测试装置（以下简称：测试装置）基于FPGA 技术，通过继电器卡提供一组高低电平信号，计时卡件（PXIe-7822R）与计量设备同时记录这组高低电平信号从上升沿到下降沿的时间。

继电器卡分别与计时卡件以及在校准有效期内计量设备示波器连接；确认继电器卡处于低电平断开状态，闭合继电器通道，继电器卡回路输出一个上升沿信号，并保持24V 高电平。当继电器卡输出回路电压上升至21.6V（24V×90%）时开始计时，测试装置计时卡件记录时间为T1'，同时计量设备记录时间为T1''；随机等待一段时间，该段时间可用软件控制，应在20ms ～2s 之间随机选取，并在所有测量次数中满足正态分布。断开继电器通道后，继电器卡输出一个下降沿信号，并保持0V 低电平，当继电器卡输出回路电压下降至2.4V（24V×10%）时计时结束，计时卡件记录时间为T2'，计量设备记录时间为T2''。分别计算计时卡件和计量设备测得的响应时间，计时卡测得的响应时间为ΔT'= T2'-T1'，计量设备测得的响应时间为ΔT''= T2''- T1''，计量设备与计时卡件记录的响应时间的差值即为计时卡精度δ=|ΔT''-ΔT'|，每个通道重复测量10 次后，计算每个通道的最大误差。原理图如图2 所示。

2.2 测试装置精度测量结果

测试装置使用的计时卡件具有128 个独立的计时通道，这些独立的计时通道均由计时卡中的FPGA 芯片控制。由于FPGA 执行的是互不干涉的硬逻辑电路，并且并行运行，所以各测量通道之间相互独立互不影响。在测试小车的设计过程中，涉及到118 个计时通道的使用。在测量系统精度时，对118 个测量通道进行抽样测试，抽样的比例为100%。通过软件控制，在20ms ～2s 之间随机选触发时间，取每个通道进行10 次测量，共进行1180 次测试，取误差最大的结果作为单通道精度，通过实例化测试，分析测试装置的功能和性能，测试结果见表1。

图2 精度测试原理图Fig.2 Schematic diagram of precision test

表1 计时卡件各通道最大误差记录表Table 1 Record of maximum error of each channel of timing card

图3 测试小车各计时通道最大误差统计图Fig.3 Statistical chart of maximum error of each timing channel of test car

由数据统计表制作下图，计时通道最大误差统计图如图3 所示。

由图3 可知，测试装置基于FPGA 技术，利用FPGA速度快、实时性好的特点，系统的并行处理能力增强，实时信号处理器的时钟延迟可以达到纳秒级，测试装置测量精度可达0.1ms，填补了国内技术空白。对比国内外同类产品，基于FPGA 的核安全级高精度响应时间测试装置具有领先的性能，较高的性价比。

3 结束语

国核自仪研发的PMS 响应时间测试装置打破了国外对核安全级高精度仪控响应时间测试的技术垄断，基于FPGA技术的高精度响应时间测试装置的测量精度可达0.1ms，计时卡件的精度达纳秒级，达到国际领先水平，填补了国内技术空白。基于FPGA 技术的高精度响应时间测试技术，因具有高速数字信号处理的能力，高度实现系统的实时性的特点，在应用于大型核电机组的同时，还可以推广至其他核电厂进行使用，对于轨道交通、重型燃机、航空航天等高可靠性、高实时性要求的高端工业控制领域，故该项技术仍有良好的应用前景。

同时，该测试装置已成功应用于非能动核电厂PMS 响应时间测试，该装置具有测试过程操作简单、测试速度快、成本低的特点，首次应用期间帮助业主节省1 天实验窗口期，取得了良好的测试测评结果，可替代国外租赁产品。