多樣性驅(qū)動das系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，包括FPGA處理模塊、模擬信號調(diào)理卡件、AD采樣模塊、FRAM模塊、RS485通信模塊和電源電路，熱電偶/熱電阻模擬信號分別通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為0～60mV電壓信號和18.52～329.64Ω電阻信號后分別送入四路隔離AD采樣模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；冷端補償模擬信號進入單路模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)化為溫度工程量數(shù)據(jù)送入單路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；FPGA處理模塊同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，F(xiàn)PGA處理模塊輸出到RS485模塊。本實用新型精度指標高，響應速度快，符合IEC584標準。
【專利說明】多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型屬于信號處理【技術(shù)領域】，具體涉及一種基于FPGA技術(shù)的多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件。
【背景技術(shù)】
[0002]在第三代數(shù)字化AP1000核電站控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同的核安全分級，采用安全級和非安全級兩個不同的平臺實現(xiàn)安全控制功能。安全級平臺即保護和安全檢測系統(tǒng)(protection and safety monitoring system, PMS),實現(xiàn)反應堆保護系統(tǒng)的功能；非安全級平臺即電廠控制系統(tǒng)(plant control system, PLS),實現(xiàn)核島/常規(guī)島/電廠配套設施(balance of plant, BoP)大多數(shù)的控制功能。將這些可能受到共因故障影響的安全功能組合到一起，就組成了多樣性驅(qū)動系統(tǒng)(dispersive actuation system, DAS)。DAS是獨立于PMS和PLS外的一個孤立系統(tǒng)。當保護和安全檢測系統(tǒng)出現(xiàn)概率極低的共因故障時，DAS系統(tǒng)用來觸發(fā)反應堆緊急停堆和汽輪機停機，降低堆芯熔化和安全殼超壓的概率，起到PMS和PLS后備系統(tǒng)的作用。
[0003]由于DAS系統(tǒng)是保護和安全檢測系統(tǒng)PMS和電廠控制系統(tǒng)PLS的備用性系統(tǒng)，因此它采用不同于PMS和PLS的結(jié)構(gòu)、硬件和軟件，這也是AP1000核電站控制系統(tǒng)在提高安全性措施方面的一項重要措施。DAS系統(tǒng)是一個完全基于硬件的系統(tǒng)，沒有軟件控制，主芯片采用FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)，硬件描述語言選用VHDL和Verilog HDL0所有的通信和數(shù)據(jù)處理功能都是在FPGA內(nèi)實現(xiàn)。
[0004]熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件在DAS系統(tǒng)內(nèi)起到輸入熱電偶熱電阻模擬信號，并進行轉(zhuǎn)換，通過RS485或光纖輸出定點數(shù)工程量值，給DAS系統(tǒng)內(nèi)的定值模塊、顯示模塊或者通信模塊。熱電偶熱電阻調(diào)理卡件還可以接收通信模塊傳送來的標定值k，b和工程量線形轉(zhuǎn)換A，B值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型是針對DAS系統(tǒng)與安全檢測系統(tǒng)PMS、電廠控制系統(tǒng)PLS不兼容的問題，提出了一種多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，能夠快速準確地把熱電偶熱電阻模擬信號轉(zhuǎn)換成工程量值。
[0006]為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是:一種多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，包括以FPGA為核心的FPGA處理模塊、模擬信號調(diào)理卡件、AD采樣模塊、FRAM模塊、RS485通信模塊和電源電路，其特征在于:熱電偶模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為O?60mV電壓信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；熱電阻模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為18.52?329.64 Ω電阻信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；冷端補償模擬信號進入單路模擬信號調(diào)理卡件直接轉(zhuǎn)化為溫度工程量數(shù)據(jù)后送入單路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；FPGA處理模塊同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號線CE和TXD，輸出到RS485模塊，RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號轉(zhuǎn)換成差分信號，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
[0007]所述四路熱電偶電壓信號隔離AD采樣模塊和四路熱電阻電阻信號隔離AD采樣模塊接收到模擬信號后，分別通過八個隔離的AD芯片轉(zhuǎn)換為24位原碼，以隔離的八路SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊。
[0008]所述FPGA處理模塊通過八通道SPI收發(fā)模塊將AD芯片轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，對熱電偶和冷端補償?shù)难a碼進行標定運算，標定后的八路數(shù)據(jù)分別進行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，處理計算的數(shù)據(jù)放入UART發(fā)送模塊，UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊的UART輸出端口。
[0009]所述RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號通過磁隔離芯片，進入RS485驅(qū)動，成為差分信號。
[0010]所述FPGA處理模塊通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在FRAM模塊的固定地址內(nèi)。
[0011]本實用新型的有益效果在于:本實用新型多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，采用與核電保護和安全監(jiān)測系統(tǒng)、核電廠控制系統(tǒng)完全不同的設計方案，有利于提高AP1000核電系統(tǒng)的安全等級；采用硬件電路和FPGA設計，避免了軟件設計V&V認證，加快了開發(fā)進度；調(diào)理卡件采用隔離的RS485通信，提高了系統(tǒng)可靠性；調(diào)理卡件熱電偶和熱電阻精度指標高，響應速度快，符合IEC584標準?；贔PGA技術(shù)的調(diào)理無論模擬信號采樣精度、采樣速度還是安全性能都具有其他模擬信號調(diào)理卡件所沒有的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件原理框圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所示基于FPGA技術(shù)的多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻調(diào)理卡件原理框圖，包括以FPGA為核心的FPGA處理模塊1、八路模擬信號調(diào)理卡件6、單路模擬信號調(diào)理卡件6 ’、八路AD采樣模塊2、單路AD采樣模塊2 ’、FRAM模塊3、RS485通信模塊4和電源電路5，其特征在于:熱電偶模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為O?60mV電壓信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；熱電阻模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為18.52?329.64 Ω電阻信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；冷端補償模擬信號進入單路模擬信號調(diào)理卡件直接轉(zhuǎn)化為溫度工程量數(shù)據(jù)后送入單路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；FPGA處理模塊同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號線CE和TXD，輸出到RS485模塊，RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號轉(zhuǎn)換成差分信號，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
[0014]所述四路熱電偶電壓信號隔離AD采樣模塊和四路熱電阻電阻信號隔離AD采樣模塊接收到模擬信號后，分別通過八個隔離的AD芯片轉(zhuǎn)換為24位原碼，以隔離的八路SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊。
[0015]所述FPGA處理模塊通過八通道SPI收發(fā)模塊將AD芯片轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，對熱電偶和冷端補償?shù)难a碼進行標定運算，標定后的八路數(shù)據(jù)分別進行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，處理計算的數(shù)據(jù)放入UART發(fā)送模塊，UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊的UART輸出端口。
[0016]所述RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號通過磁隔離芯片，進入RS485驅(qū)動，成為差分信號。
[0017]所述FPGA處理模塊通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在FRAM模塊的固定地址內(nèi)。
[0018]實施例一:帶冷端補償?shù)臒犭娕寄M信號調(diào)理功能
[0019]當輸入的模擬信號是熱電偶(T型、K型、E型、N型、J型、B型、S型、R型)時，首先通過四路模擬信號調(diào)理卡件6，把模擬信號處理為O~60mV電壓信號分別送入四片AD采樣模塊2，接收到模擬信號后AD芯片將其分別轉(zhuǎn)換為24位原碼，以隔離的四路SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA，SPI的隔離采用磁耦，保證了現(xiàn)場信號與控制電路相互隔離，相互獨立。熱電偶PtlOO類型的冷端補償模擬信號，進入單路模擬信號調(diào)理卡件直接轉(zhuǎn)化為溫度工程量數(shù)據(jù)后送入單路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD芯片將其分別轉(zhuǎn)換為24位原碼，輸出數(shù)字信號以單路S PI串行通信方式進入FPGA處理模塊。FPGA通過SPI收發(fā)模塊將AD芯片轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，取24位中的高16位進行碼值轉(zhuǎn)換，確保精度，從原碼轉(zhuǎn)換為補碼，方便數(shù)據(jù)運算，同時讀取FRAM內(nèi)存儲的標定值kl~k4、k9和bl~b4、b9,對熱電偶的補碼進行kl~4x+bl~4的標定運算,對冷端補償PtlOO的補碼進行k9x+b9的標定運算，標定后的四路數(shù)據(jù)和冷端補償值分別進行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。之后將這四路數(shù)據(jù)分別和冷端補償值相加，得到補償后的熱電偶信號，以此作為熱電偶非線性反查表的地址，在FRAM中讀取該地址所對應的16位數(shù)據(jù)，即為熱電偶的2字節(jié)實際工程量值，然后補上I字節(jié)的固定小數(shù)點位，其中熱電偶信號工程量值無小數(shù)點。小數(shù)點字節(jié)的定義見下表:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，包括以FPGA為核心的FPGA處理模塊、模擬信號調(diào)理卡件、AD采樣模塊、FRAM模塊、RS485通信模塊和電源電路，其特征在于:熱電偶模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為O?60mV電壓信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；熱電阻模擬信號通過四路隔離模擬信號調(diào)理卡件轉(zhuǎn)換為18.52?329.64 Ω電阻信號后送入四路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；冷端補償模擬信號進入單路模擬信號調(diào)理卡件直接轉(zhuǎn)化為溫度工程量數(shù)據(jù)后送入單路隔離AD采樣模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號進入FPGA處理模塊；FPGA處理模塊同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，F(xiàn)PGA處理模塊通過UART端口的兩根信號線CE和TXD，輸出到RS485模塊，RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號轉(zhuǎn)換成差分信號，發(fā)送到通信模塊或者是本地顯示模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，其特征在于:所述四路熱電偶電壓信號隔離AD采樣模塊和四路熱電阻電阻信號隔離AD采樣模塊接收到模擬信號后，分別通過八個隔離的AD芯片轉(zhuǎn)換為24位原碼，以隔離的八路SPI串行通信方式發(fā)送到FPGA處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，其特征在于:所述FPGA處理模塊通過八通道SPI收發(fā)模塊將AD芯片轉(zhuǎn)換出來的原碼從串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)保存，同時讀取FRAM模塊內(nèi)存儲的標定值，對熱電偶和冷端補償?shù)难a碼進行標定運算，標定后的八路數(shù)據(jù)分別進行40ms/80ms數(shù)字濾波處理，處理計算的數(shù)據(jù)放入UART發(fā)送模塊，UART發(fā)送模塊根據(jù)串口通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA處理模塊的UART輸出端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，其特征在于:所述RS485模塊將CE和TXD信號線得來的信號通過磁隔離芯片，進入RS485驅(qū)動，成為差分信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多樣性驅(qū)動DAS系統(tǒng)熱電偶熱電阻模擬信號調(diào)理卡件，其特征在于:所述FPGA處理模塊通過RS485模塊接收從通信模塊發(fā)來的標定數(shù)據(jù)和線性轉(zhuǎn)換系數(shù)，并將數(shù)據(jù)保存在FRAM模塊的固定地址內(nèi)。
【文檔編號】G05B19/042GK203759469SQ201320887346
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】孫旭華, 許大慶, 包偉華, 朱強, 邵繼紅 申請人:上海自動化儀表股份有限公司