基于單片機技術的輻射探測器可調式高壓電源設計*

余方偉

(海軍駐武漢某研究所軍事代表室 武漢 430205)

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基于單片機技術的輻射探測器可調式高壓電源設計*

余方偉

(海軍駐武漢某研究所軍事代表室 武漢 430205)

主要介紹了一種基于單片機技術的寬量程可調式高壓電源設計,可應用于多種輻射探測器的高壓故障診斷。該技術的應用,為輻射監測系統的故障快速定位與診斷探索出一條新途徑。

故障診斷; 高壓電源; 單片機; 輻射探測器

Class Number TP368.1

1 引言

電離室、3He計數管、蓋革管和光電倍增管等輻射探測器是核工業儀表常用的輻射探測器,不同的探測器,要求加在探測器上的工作電壓也不同。工作電壓的準確性與探測器的探測效率以及探測器工作的穩定性緊密相關。

目前輻射探測器的高壓電源設計基本可分為固定式和可調式,可調式高壓電源又可以分為電阻調節型高壓電源和電壓調節型高壓電源。本文將介紹一種電壓可調式高壓電源設計方案,調節范圍可達-1500V～+1500V,用以給八種不同類型的輻射探測器提供高壓電源。

2 基本原理

為了研制一款用于檢測工業現場的輻射探測器和輻射二次儀表的故障診斷儀,需要設計一個體積小巧,并能產生多路穩定高壓的電路。本高壓電源設計方案選用的是電壓調節型能產生高壓范圍為-1500V～+1500V的寬范圍高壓模塊,高壓模塊的調制電壓采用單片機的SPI串口總線輸出控制指令,SPI串口總線數據經AD5724數模轉換芯片轉換成電壓值,該電壓值作為控制電壓輸出到正、負高壓模塊,與正、負高壓模塊組成一個高壓可調電路,根據需要輸出不同的高壓值。該高壓智能電源的系統框圖如圖1所示。

圖1 高壓可調電路系統原理圖

3 硬件設計

3.1 電路芯片選型

本高壓電源設計主控芯片采用的是NXP公司的LPC1768ARM處理器,LPC1768具有高性能、體積小、低功耗、片上可選擇多種外設等優點,同時工作頻率可達100MHz,LPC1768的片上外設,包括512KB的Flash存儲器和64KB的數據存儲器、四個通用32位定時器、12-bit ADC、兩個SSP控制器和兩個SPI接口,以及多達70個的通用I/O管腳等等。

數模轉換芯片采用的是Analog Devices公司的AD5724R DAC芯片,該芯片具有四通道、12位、串行輸入、電壓輸出等特點。AD5724芯片采用-12V和+12V雙電源供電,參考電源可設為外置2.5V,也可設置為內置2.5V,標稱滿量程輸出范圍可通過軟件設置。AD5724采用串行接口,能夠以最高30MHz的時鐘速率工作,并且與DSP和微控制器接口標準兼容。

高壓模塊采用的是兩塊電壓調節型高壓輸出范圍為0V～+1500V的高壓模塊和高壓輸出范圍為0V～-1500V的高壓模塊。供電電壓為+12V,輸出的高壓值經高壓模塊的控制引腳的電壓值進行控制,控制電壓為0～10V,0V對應輸出電壓的0V,10V對應輸出電壓的+1500V或-1500V。

3.2 高壓控制電路基本原理

高壓控制電路原理圖如圖2。該電路選用LPC1768的SSP0作為控制DAC接口,SSP0接口的SSEL0引腳外接一個上拉電阻,SSEL0管腳被設置為高電平,單片機因而被設置作為總線主機。LPC1768的SSP0接口的其他幾個引腳與AD5724芯片的對應引腳依次相連。根據AD5724的產品手冊,為了使AD5724芯片正常工作,還需對AD5724的SYNC、LDAC以及CLR引腳進行設置,該3引腳分別與LPC1768的P0[25]、P0[24]和P0[23]管腳相連。在單片機程序初始化時,配置P0[25]、P0[24]和P0[23]為通用I/O引腳。然后在主程序中依次設置不同的電壓調整值,再將設置的電壓調整值與對應的探測器類型關聯起來,并由按鍵外部中斷控制探測器類型的選擇。這樣高壓控制電路利用輸出不同調整電壓即達到控制高壓模塊輸出不同高壓值的目的。

圖2 高壓控制電路原理圖

3.3 高壓計算公式

對于正高壓模塊,正高壓輸出計算公式可由式(1)確定:

(1)

對于負高壓模塊,負高壓輸出計算公式可由式(2)確定:

式中+1500÷10和-1500÷10分別表示高壓模塊的高壓調整系數,8表示AD5724芯片的輸出范圍為±10V時的增益值,2.5是REFIN引腳上施加的基準電壓。D是載入DAC的代碼的十進制等效值。

4 軟件設計

高壓電源電路的設計是為了給八種輻射探測器提供不同的工作高壓。輻射探測器和高壓值對應表如表1所示。

輻射探測器高壓智能電源的軟件程序是為了給八種輻射探測器提供不同的工作高壓。程序流程圖如圖3所示。

表1 探測器類型與高壓值對應表

圖3 高壓控制軟件流程圖

主要程序偽代碼如下:

SystemInit(); 系統初始化

InitialDAC; 初始化DAC

a. 配置P0.17用于SSP0-DAC-MISO

b. 配置P0.18用于SSP0-DAC-MOSI

c. 配置P0.25用于DAC-SY

d. 配置P0.23、P0.24 為通用引腳

e. 配置P0.23、P0.24 為輸出引腳

void Initial; 初始化IO

while 1

dogc_SETIndex←通道號

if gc_SETIndex=1 then call SETDAC0() //設置通道1對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=2 then call SETDAC1() //設置通道2對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=3 then call SETDAC2() //設置通道3對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=4 then call SETDAC3() //設置通道4對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=5 then call SETDAC4() //設置通道5對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=6 then call SETDAC5() //設置通道6對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=7 then call SETDAC6() //設置通道7對應高壓調整值

else if gc_SETIndex=8 then call SETDAC7() //設置通道8對應高壓調整值

以設置通道1高壓為例,設置通道對應電壓程序源代碼如下:

void SETDAC0(void) //8個通道依次對應0～7的8個數值

{

SetPIN(0,23); //設置P0[23]為高電平

ClearPIN(0,24); //設置P0[24]為低電平

DAC_ON; //設置P0[25]為低電平

SPI_MSendData(0x0C); //設置電壓輸出范圍為±10V

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x04);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x10); //參考電壓設置為外置參考電壓

SPI_MSendData(0x00);

SPI_MSendData(0x0F);

DAC_OFF;

Delay(100);

DAC_ON;

SPI_MSendData(0x01); //設置VOUTB的值為2.8V,VHV=+420V

SPI_MSendData(0x23);

SPI_MSendData(0xD0);

DAC_OFF;

}

5 電路測試

該高壓電源電路經過綜合實驗測試,輸出高壓精度、穩定性進行調試,最終使各參數達到設計要求。

理論高壓值與實測高壓值對照表如表2所示。

表2 理論高壓值與實測高壓值對照表

6 結語

以LPC1768嵌入式單片機與AD5724數模轉換芯片為基礎,通過硬件和軟件相結合的方式控制高壓模塊的輸出,滿足了市場上常見的大部分類型探測器的高壓需求。目前該電源已成功應用于軍用核反應堆及核電站輻射監測領域。實踐證明:該電源系統提高了核探測儀器的穩定度和智能化程度,同時體積小、重量輕,模塊化程度高,具有廣闊的應用前景。

[1] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2] LPC17xx User manual Rev.01. 2010.

[3] AD5724/AD5734/AD5754 Datasheet.

[4] 王經瑾,范天民,錢永庚.《核電子學》.清華大學工程物理系試用教材:5-32.

Adjustabie High-voltage Power Design of Radioactive Detector Based on the SCM Technology

YU Fangwei

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan 430205)

This paper introduces a broad-range adjustable high-voltage power supply design based on SCM technology. It can be applied to a high-voltage fault diagnosis of various Kid of nuclear radioactive detectors. This technology is a new way for fault orientation and diagnosis of nuclear radiation system with nuclear power device.

fault diagnosis, high-woltage, SCM, nuclear radioactive detector

2014年11月5日,

2014年12月27日

余方偉,男,工程師,研究方向:控制技術。

TP368.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.042