CN105978536B - 一种斜波信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种斜波信号发生装置，包括：人机交互模块，用于接收斜波信号的属性，包括斜率、上升状态、下降状态、上限值、下限值和保持指令；中央处理模块，与所述人机交互模块连接，用于对斜波信号的属性进行解析，并控制与其连接的斜波电压输出模块进行斜波信号的电压输出；电源模块，用于向上述各模块供电。由上，实现接收操作人员所输入的斜波信号，该斜波信号可以为上升、下降和水平电压信号，以在核电站检修期间，模拟出反应功率运行状态的电压值及变化趋势。

Description

一种斜波信号发生装置

技术领域

本发明涉及核电站控制技术领域，特别涉及一种斜波信号发生装置。

背景技术

目前，国内在役核电站换料运行周期为12～18个月，在一个运行周期内要对核电站的系统设备进行一次较为全面的预防性维修，即通常所讲的核电站大修。核电站大修质量对于核电站的安全稳定运行起着至关重要的作用。大修是所有电站都有的，核电站在经过一定时间运行后都要对一些平时运行时不能修的部件进行检修，同时也要对设备进行一次全范围的体检，确保设备是安全可用的

核仪表系统(RPN系统，又叫核功率测量系统，以下简称RPN)是核电站非常重要的组成系统，RPN系统的主要功能是：1、连续监测反应堆功率，功率水平的变化即反应堆轴向功率分布；2、通过功率测量通道所得信号计算，可监测反应堆径向功率的倾斜和轴向功率的偏差；3、向功率调节系统、反应堆保护系统提供功率量程范围内中子注量率信息；4、它在安全方面的作用是通过功率量程测量通道高中子注量率和中子注量率变化率高信号触发反应堆紧急停闭。

RPN系统所需测定的范围是从额定功率的10^-9直至额定功率的200％。核电站正常运行时，将反应堆的功率状态转换成为电压信号，即停止0功率对应0V，满功率100％对应5V，并将该电压信号发送给后端仪器仪表进行监测和运算动作。

在检修期间，如何模拟该功率运行状态的电压值及变化趋势，对于核电站在检修期的测试便显得异常重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种斜波信号发生装置，包括：

人机交互模块，用于接收斜波信号的属性，包括斜率、上升状态、下降状态、上限值、下限值和保持指令；

中央处理模块，与所述人机交互模块连接，用于对斜波信号的属性进行解析，并控制与其连接的斜波电压输出模块进行斜波信号的电压输出；

电源模块，用于向上述各模块供电。

由上，实现接收操作人员所输入的斜波信号，该斜波信号可以为上升、下降和水平电压信号，以在核电站检修期间，模拟出反应功率运行状态的电压值及变化趋势。

可选的，所述人机交互模块包括薄膜按键和显示模块，所述显示模块实时显示所述薄膜按键所输入的内容。

可选的，所述人机交互模块包括还包括静电保护模块，与所述薄膜按键连接。

由上，实现防止人体静电等对电路器件的损害。

可选的，还包括操作判断模块，与所述薄膜按键连接，用于检测薄膜按键是否被误操作。

可选的，所述检测薄膜按键是否被误操作包括：

当检测到薄膜按键被按下时，设定一延时间隔T1；

由薄膜按键第一次被按下其，每间隔T2时长进行按键状态采集，连续采集N次；

将这N次采样值进行与逻辑运算，如果运算结果一致，表示薄膜按键被按下；

其中，T1＝15mS、T2＝10mS、N＝3。

由上，实现避免接收到用户通过人机交互模块的误操作。可以达到时间耗费在允许范围内，屏蔽环境中带来的干扰，最大程度的减少按键误检的次数，更有效的检测按键状态。

可选的，在所述中央处理模块与所述斜波电压输出模块之间，还包括信号平滑处理模块，用于修正中央处理模块向斜波电压输出模块输出数据的步长。

可选的，所述平滑处理包括：

依据以下公式计算出修正步长后中央处理模块向斜波电压输出模块输出数据N；

N＝N0+ΔN＝N0+T*ΔN0＝N0+T*((S*10-3)/10*216)，式中V0表示斜波电压输出模块40最初输出的电压值；H表示上限值；S表示斜率；N0表示最初输出的电压值V0所对应的转换数字量，N0＝(V0/10)*216；ΔN0表示根据斜率S计算出的每秒钟转换的更新变长，ΔN0＝(S*10-3)/10*216；T表示设定的更新时间间隔，T＝6mS；ΔN表示实际对应T时间间隔所更新的步长，ΔN＝T*ΔN0。

由上，通过设定适宜步长，以使输出的电压平滑。

可选的，所述电源模块包括：

电池；

第一非隔离开关电源，与所述电池连接，用于输出12V供电电压；

隔离开关电源，与所述第一非隔离开关电源连接，用于输出5V供电电压；

第二非隔离开关电源，与所述电池连接，用于输出3.3V供电电压。

可选的，还包括：

运算放大器，与所述斜波电压输出模块连接，用于将斜波电压输出模块所输出的0～2.5V电压放大为0～10V；

1KΩ分压电阻，与所述运算放大器连接；

10KΩ分压电阻，与所述运算放大器连接。

由上，通过不同电压值的输出，满足核电站现场多仪表接口的要求。

可选的，还包括：

报警模块；

所述中央处理模块还用于对人机交互模块所接收斜波信号的属性进行合理性判断，依据判断结果控制报警模块进行报警。

由上，实现对于所输入数据的正确性进行验证。

附图说明

图1为本发明装置的原理示意图；

图2为薄膜按键的示意图；

图3为中央处理模块的芯片管脚图；

图4为中央处理模块的最小系统电路原理示意图；

图5为电流输出模块中AD5420芯片的内部原理图；

图6为电流输出模块的电路原理示意图；

图7为斜波电压输出模块中AD5683芯片的内部原理图；

图8为斜波电压输出模块的电路原理示意图；

图9为电源模块的电路原理示意图；

图10(A)为本发明装置的主视图；

图10(B)为本发明装置的后视图。

图1、4、6、8、9中，实线表示信号传输，虚线表示供电传输。

具体实施方式

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种斜波信号发生装置，实现由操作人员控制输出斜波信号，该斜波信号可以为上升、下降和水平电压信号，以在核电站检修期间，模拟出反应功率运行状态的电压值及变化趋势。

如图1所示，本装置包括中央处理模块10，以及分别与其连接的人机交互模块20、电流输出模块30、斜波电压输出模块40、电源模块50和报警模块60。所述中央处理模块10、电流输出模块30、斜波电压输出模块40和报警模块60可焊接与PCB板上。

人机交互模块20包括操作按键以及显示模块，其中，操作按键用于设定斜波信号的属性，包括设定斜波的斜率、上升状态、下降状态、上限值、下限值和保持功能。显示模块用于实时显示当前所设定的值。

所述显示模块选用12864型的液晶显示器，带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行，2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集。利用该显示模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。

如图2所示，操作按键通过薄膜按键开关实现，薄膜按键开关来实现功能。所述薄膜按健(Metal dome array)，是一块带触点的PET薄片(包括金属弹片)，用在PCB、FPC等线路板上作为开关使用。与传统的硅胶按键相比，薄膜按键具有更好的手感、更长的寿命。薄膜按健上的触点位于PCB板上的导电部位(大部分位于线路板上的金手指上方)，当按键受到外力按压时，触点的中心点下凹，接触到PCB上的线路，从而形成回路，电流通过，整个产品就得以正常工作。

薄膜按键都是“按键+薄膜”的基本结构，所以，按键的手感方面取决于薄膜按键的设计。考虑到开关触点的分离和回弹的可靠性，薄膜的厚度一般选择在0.125-0.2mm为最佳，过薄回弹无力，触点分离不灵敏。过厚反应迟钝增加操作力度。键体采用方形按键或圆形键按，对角线长度或直径大于12mm时，选用0.15或0.2毫米厚的薄膜。薄膜稍厚，反弹有力，键体经多次按后薄膜松弛的倾向较小，从而保证触点的正常工作。当隔离层愈薄，电路基材薄膜厚度应该要厚，过薄的薄膜容易出现触点的自通。平面型按键允许选用稍厚一点的薄膜材料，而用作于电路触点鼓泡的薄膜一般宜采用0.125毫米厚的薄膜，只有在鼓泡球径大而球顶的弦高较小的情况下，才宜采用较厚的薄膜。薄膜按键是电子按键产品中必备的构成结构，它是金属弹簧片按键产品和导电胶按键产品内置的导电膜。薄膜按键的结构非常简单，直接将接触的按键盖、键帽取下以后可以看到按键下方的薄膜电路和电路板。

按键包括功能区域的“上升”、“下降”、“保持”，还包括参数调整区域的“增加”、“减小”、“左移”、“右移”。

系统上电后，显示模块即亮起，系统显示斜波的初始默认值，例如斜率120mV/s，上限值6V(对应120％FP核功率)，下限0.000V。

在设定斜率时，接收用户按下“左移”或“右移”按键，每按下一次“左移”按键，显示模块所显示的光标左移一位，每按下“右移”按键一次，显示模块所显示的光标右移一位；其次，接收用户按下“增加”或“减小”按键来增大或减小相应位的数值，修改完的斜率值可实时的显示在显示模块上。

上限值和下限值设定时，接收用户按下“左移”或“右移”按键以确定上限值或下限值的相应位，然后接收“增加”或“减小”键来修改上限值的当前选定位，其具体过程与斜率设定相同。

在完成设定斜率值、上限值和下限值后即可进行上升值设定，接收用户按下功能设定区域中的“上升”按键，则接收到上升斜波信号指令，以便在后续输出相应的上升斜波信号，具体将在后文详述。

同理，按下“下降”按键，则接收到下降斜波信号指令，以便在后续输出相应的下降斜波信号。

另外，在任何时刻，当接收到用户所按下的“保持”按钮，则保持当前值输出水平电压信号。在上升或下降过程中可设定保持当前值输出，按下保持按键即可进入保持功能，输出当前电压电流值且保持不变。具体将在后文详述。

较佳的，人机交互模块20还包括静电保护模块，与所述各个薄膜按键连接，以防止人体静电等对电路板或芯片器件的损害。本实施例中，所述静电保护模块采用ESD保护芯片，以对整个发明装置进行静电保护。

另外，所述人机交互模块20还包括误操作判断模块(未图示)，分别与所述各个薄膜按键连接，用于检测各个薄膜按键是否被误操作。所述误操作判断模块持续采集薄膜按键的输入状态，当检测到薄膜按键状态发生变化后(例如电平发生变化)，则首先延时一定时间间隔T1，然后以每隔固定时间T2进行按键状态采集，连续采集N次，将这N次采样值进行“与”逻辑运算，如果运算结果相同，就认为状态改变。考虑用户对按键进行操作时按下和松开按键的时效性，按键抖动回弹及环境中干扰噪声等，T1、T2和N选择以下数值时：T1＝15mS、T2＝10mS、N＝3。基于此，可以达到时间耗费在允许范围内，屏蔽环境中带来的干扰，最大程度的减少按键误检的次数，更有效的检测按键状态。

中央处理模块10与所述人机交互模块20连接，用于对用户通过人机交互模块20设定斜波信号的属性进行解析，解析出转换数字量，以控制电流输出模块30、斜波电压输出模块40进行电流值、电压值的输出，以及控制显示模块60显示。例如，中央处理模块10接收人机交互模块20所设定的斜率等属性，对应解析出上述属性对应的转换数字量，将上述转换数字量输出给斜波电压输出模块40，则斜波电压输出模块40将上述转换数字量转换为电压值并输出。对应的，电流输出模块30所输出的电流值与所述斜波电压输出模块40所输出的电压值相对应。

需要说明的是，所述中央处理模块10还需对解析后的属性的合理性进行判断。即，在中央处理模块10中预存有各个数据的安全值范围，当解析出用户通过人机交互模块20所设定的数值在所述安全值范围以外时，控制报警模块60进行报警。

另外，中央处理模块10还需针对用户所输入的逻辑进行检测，当出现逻辑错误时，同样控制报警模块60进行报警。所述逻辑错误包括但不限于：上限值低于下限值、未设定斜率。

所述报警模块60包括蜂鸣器和LED灯条，通过驱动电路与所述中央处理模块10连接，由于其采用现有电路进行连接，不再赘述。

如图3所示，本实施例中，所述中央处理模块10选用MSP430型单片机实现。MSP430单片机还具有以下特点：

处理能力强：MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；其寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

运算速度快：MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的某些算法。

超低功耗：首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低为165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗为0.1μA。其次，在MSP430系列中有不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

片内资源丰富：MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。分别是看门狗、模拟比较器A、定时器、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器、实时时钟和USB控制器。另外，MSP430系列单片机的中断源较多，可以任意嵌套，灵活方便。

方便高效的开发环境：MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。MSP430系列单片机的最小系统结构框图见附图4所示。

电流输出模块30，与所述中央处理模块10连接，用于反应所输入斜波信号的电流值，以模拟出功率试验时的电流信号，并将其输出至电流端子。

电流信号输出范围为0-20mA，与后文所述斜波电压输出模块40所输出的0-10VDC电压信号线性对应。如图5所示，本实施例中，选用了AD公司的16位DA转换器AD5420，AD5420是低成本、精密、完全集成的12/16位转换器，提供可编程电流源输出。如图6所示为电流输出模块30的电路原理图，输出电流范围可编程设置为4mA至20mA、0mA至20mA或者0mA至24mA的超量程。该器件采用10.8V至60V的电源供电，本实施例中，采用12V供电。灵活的串行接口为SPI、MICROWIRE^TM、QSPI^TM和DSP兼容接口，可在三线式模式下工作。该器件还包含一个确保器件在已知状态下上电的上电复位功能，以及一个将输出设定为所选电流范围低端的异步清零引脚。总非调整误差典型值为±0.01％FSR。

斜波电压输出模块40，与所述中央处理模块10连接，用于反应所输入斜波信号的电压值，以模拟出功率试验时的电压信号，将其输出至电压端子。

斜波电压信号范围为0-10VDC。如图7所示，本实施例选用AD公司的16位DA转换器AD5683，AD5683属于系列，低功耗、单通道、16位缓冲电压输出DAC。输出范围可编程设置为0V～VREF或0V～2*VREF。采用2.7V至5.5V单电源供电。提供2.00mm*2.00mm、8引脚LFCSP或10引脚MSOP封装。

如图8所示，在斜波电压输出模块40内部电路实现上，通过中央处理模块10控制AD5683芯片输出0～2.5V的低电压，再经过运算放大器进行4倍放大后即可输出相应的电压值，即放大为0～10V，根据现场使用情况及运放输出的驱动能力，电压输出要求所接负载阻抗不低于500Ω，否则会因输出电流过大引起运放过度发热而损坏或输出达不到设定数值。

同时为了满足核电站现场多仪表接口的要求，在输出0-10V电压信号的同时，采用电阻分压的方式，在输出端串接两个电阻，两个电阻值分别为1KΩ和10KΩ，这样就可得到两个输出信号，一路为0-10V电压信号，另外一路为0-1V电压信号。

较佳的，在所述中央处理模块10与斜波电压输出模块40之间，还设有信号平滑处理模块(未图示)，用于通过更新步长的方式对由中央处理模块10输出至斜波电压输出模块40的转换数字量进行平滑处理。

处理后，单片机发给斜波电压输出模块40的转换数字量为N，

N＝N₀+ΔN＝N₀+T*ΔN₀＝N₀+T*((S*10^-3)/10*2¹⁶)，式中V₀表示斜波电压输出模块40最初输出的电压值；H表示上限值；S表示斜率；N₀表示最初输出的电压值V₀所对应的转换数字量，N₀＝(V₀/10)*2¹⁶；ΔN₀表示根据斜率S计算出的每秒钟转换的更新变长，ΔN₀＝(S*10^-3)/10*2¹⁶；T表示设定的更新时间间隔，T＝6mS；ΔN表示实际对应T时间间隔所更新的步长，ΔN＝T*ΔN₀，

由此，可以实现输出斜波信号足够的平滑线性。

较佳的，还包括一滤波电容(未图示)，与所述斜波电压输出模块40连接，以使输出电压信号进一步平滑线性，满足实际输出电压信号的线性变化状态。

另外，还包括动态监测模块(未图示)，连接于所述中央处理模块10与所述斜波电压输出模块40之间，用于动态监测当前数字量与上限值或下限值对应数字量的大小关系，如果当前数字量超过上限值，则不再发送当前数字量，而直接发送上限值对应数字量给斜波电压输出模块40，并保持该上限值输出不变。如果当前数字量低于下限值，则直接发送下限对应数字量给斜波电压输出模块40，并保持该下限值输出不变。

电源模块50用于向整个系统供电。

外部提供不低于5V(本实施例中，采用5节1.5V干电池)的直流电源，该直流电源经过内部变压和稳定，输出两路相互独立的电源。

第一路经过第一非隔离开关电源，输出稳定的12V电压。该12V电压供给斜波电压输出模块40中的运算放大器，同时该12V电压再经过隔离开关电源得到稳定隔离的5V电源电压，该电源电压供给显示模块，避免显示模块的高耗电流对整个系统的电压造成影响。所述第一非隔离开关采用型号为LMR62014的芯片实现。所述隔离开关电源通过型号为DCR011205U的芯片实现。

第二路经过第二非隔离开关电源稳压后，输出3.3V电压，给整个数字控制系统供电。所述第二非隔离开关电源采用型号为TPS62177的芯片实现，该芯片输入电源电压范围宽，输出纹波低。

如图10(A)、(B)所示，上述各部件封装于塑料材质的矩形盒体内，在盒体正面上部开孔安装液晶显示模块，在盒体正面下部开孔安装薄膜按键和电源开关，在盒体顶部开孔安装输出斜波电压接口端子，在盒体的背面开孔安装固定电池盒，最后在盒体内部加装螺钉固定孔来安装固定PCB板。人机交互模块20中的薄膜按键和显示模块通过内部焊接低烟无氯阻燃的线缆与PCB板连接，输出最大为10V直流电压信号，考虑到输出电压信号不大且要兼顾现场使用和接线方便，选用了标准的4MM接线孔，这种接线孔可以方便接入标准和各种线缆插头，同时外部绝缘保护好，接线接触点全部在端子内部，不会出现接线时手碰触干扰或带来触电等不安全因素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种斜波信号发生装置，其特征在于，包括：

人机交互模块，用于接收斜波信号的属性，包括斜率、上升状态、下降状态、上限值、下限值和保持指令；

中央处理模块，与所述人机交互模块连接，用于对斜波信号的属性进行解析，并控制与其连接的斜波电压输出模块进行斜波信号的电压输出；

电源模块，用于向上述各模块供电；

在所述中央处理模块与所述斜波电压输出模块之间，还包括信号平滑处理模块，用于修正中央处理模块向斜波电压输出模块输出数据的步长；

所述平滑处理包括：

依据以下公式计算出修正步长后中央处理模块向斜波电压输出模块输出数据N；

N＝N₀+ΔN＝N₀+T*ΔN₀＝N₀+T*((S*10^-3)/10*2¹⁶)，式中S表示斜率；N₀表示最初输出的电压值V₀所对应的转换数字量，N₀＝(V₀/10)*2¹⁶；ΔN₀表示根据斜率S计算出的每秒钟转换的更新变长，ΔN₀＝(S*10^-3)/10*2¹⁶；T表示设定的更新时间间隔，T＝6mS；ΔN表示实际对应T时间间隔所更新的步长，ΔN＝T*ΔN₀。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述人机交互模块包括薄膜按键和显示模块，所述显示模块实时显示所述薄膜按键所输入的内容。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述人机交互模块包括还包括静电保护模块，与所述薄膜按键连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括操作判断模块，与所述薄膜按键连接，用于检测薄膜按键是否被误操作。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述检测薄膜按键是否被误操作包括：

当检测到薄膜按键被按下时，设定一延时间隔T1；

由薄膜按键第一次被按下其，每间隔T2时长进行按键状态采集，连续采集N次；

将这N次采样值进行与逻辑运算，如果运算结果一致，表示薄膜按键被按下；

其中，T1＝15mS、T2＝10mS、N＝3。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括：

电池；

第一非隔离开关电源，与所述电池连接，用于输出12V供电电压；

隔离开关电源，与所述第一非隔离开关电源连接，用于输出5V供电电压；

第二非隔离开关电源，与所述电池连接，用于输出3.3V供电电压。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

运算放大器，与所述斜波电压输出模块连接，用于将斜波电压输出模块所输出的0～2.5V电压放大为0～10V；

1KΩ分压电阻，与所述运算放大器连接；

10KΩ分压电阻，与所述运算放大器连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

报警模块；

所述中央处理模块还用于对人机交互模块所接收斜波信号的属性进行合理性判断，依据判断结果控制报警模块进行报警。