新型液面智能實時監控系統的設計

滕宇超，鄭小海,2，王麒龍

(1.西京學院 理學院，陜西 西安 710123；2.西京學院 理學院 陜西省可控中子源工程技術研究中心，陜西 西安 710123)

0 引言

目前，液面監控裝置均為基于單片機的接觸式液面監控裝置，通過固定頻率進行采樣，新采集的數據不斷與舊數據進行對比來識別液面位置[1]。接觸式液面位置監控長時間運行存在很多安全隱患：(1)接觸式為人為控制，并不是真正的智能控制。(2)單片機的單核計算能力對于大量的數字信號計算而言，會顯得力不從心，整個系統的資源得不到最佳的利用。(3)單片機的抗干擾能力不強，在高精度高性能液面監控作業時會丟失數據。為此，本課題設計了一套基于中子透射的液面智能實時監控系統，具有非人為自動控制、實時監測、精準顯示物料液位等功能，能夠替代人工填料的工作方式，對該行業的發展以及液面測量計技術的發展具有重要意義。

1 DSP+FPGA控制器原理

作為主處理器的TMS320F28335屬于TI公司的C2000系列(DSP28335)，具有高達150 MHz的主頻[2]，芯片內部有增強型ePWM模塊，可以輸出多達18路的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信號。作為協處理器的EP4CE10F17C8片上集成了4個PLL時鐘管理單元、18×18硬件乘法器、10320邏輯處理單元、高達179個通用I/O口，便于后期功能拓展。為了實現高精度、高性能的液面監控，保證系統的穩定性以及可靠性，本團隊改進了單片機控制方式，引入了DSP+FPGA協同控制器。相比于單片機控制，該方案具有移動速度穩定、控制性能優異、工作效率高等特點。基于DSP+FPGA的液面智能實時監控系統原理如圖1所示。

圖1 液面智能實時監控系統原理

2 實時監控系統工作原理

在電場作用下，D-D可控中子管將氘原子激發產生的等離子氣體去轟擊氘-鈦靶心，激發核反應，產生14 MeV快中子束。由于兩邊為特殊材料構成的屏蔽體，中子束經過屏蔽體的遮擋，約束中子束沿著預期的方向射出，但是單準直器缺點在于只能一側準直，不能進行高精度位置測量。因此，采用雙準直測量系統，D-D中子管中子源取代化學中子源，優點是兩側同時準直，一側發射中子束，一側進行接收，可降低容器壁、發動機殼體等環境因素的影響，提高測量精度[3]。

中子束穿過化學藥劑時，會慢慢開始衰減；沒有穿過化學藥劑時，中子數量不會發生變化。由此，在交流伺服驅動器未接到控制信號之前，系統開始時為自檢狀態，如系統部件出現故障會發出報警信號；當倉體開始注入化學藥劑后，由于可控中子源發出中子束經過雙準直啟動信號后，交流伺服電機帶動探測器接受通過雙準直測量系統的中子束，并由AD9226數據采集板進行計數信號采集，通過FPGA控制器進行信號處理，并轉化為模擬量傳送給DSP 28335，DSP 28335開始與探測器到達液面位置之前探測器采集的數據進行對比，以判斷液面的具體位置。

3 液面實時監控系統設計

3.1 總體設計

為了改進由于單片機本身資源不足導致控制精度不高、系統不穩定等缺陷，并充分考慮整個系統控制精度高、數據采集量大等特點，基于DSP+FPGA液面智能實時監控系統采用了雙核系統設計，為了資源的充分利用，對DSP28335和FPGA進行了分工，把交流伺服電機控制交給了DSP28335，充分發揮DSP28335在電機控制領域高性能、高精度的優勢，而3He探測器的數據采集部分以及DSP通信交給FPGA處理。DSP和FPGA也可以互相通信，進行資源數據的交換和調用。

3.2 硬件電路設計

3He探測器數據采集電路主要芯片為AD9480，探測器產生的脈沖數據經過光電倍增管轉轉化為電壓信。3He中子探測器輸出電壓為2 ～3 mV，而AD9480的輸入電壓為(±300) mV，因此，電壓信號經過信號調理電路濾波放大到100倍，能夠使AD9480數據采集系統接收到的電壓范圍。

3.3 軟件電路設計

FPGA+DSP液面智能實時監控系統遵循自頂向下的設計流程數據。采集軟件與處理部分采用Labview進行設計。數據采集軟件主要實現3He探測器對中子計數的實時采集、顯示以及數據存儲功能，并可根據需要設置采樣率、采樣數、存儲段數等參數。

4 結語

本系統利用FPGA+DSP的雙核心優勢，使用雙準直方法來測量液面位置的方案是可行的，該方案相比于超聲波與傳統測量方式，更加快速、便捷，減少了噪聲干擾，大大提高了測量速度，對于開發新型雙準直液面智能實時監控系統提供了有益的參考和依據。