多样性驱动das系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，包括FPGA处理模块、模拟信号调理卡件、AD采样模块、FRAM模块、RS485通信模块和电源电路，热电偶/热电阻模拟信号分别通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为0～60mV电压信号和18.52～329.64Ω电阻信号后分别送入四路隔离AD采样模块模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；冷端补偿模拟信号进入单路模拟信号调理卡件转化为温度工程量数据送入单路隔离AD采样模块进行模数转换；FPGA处理模块同时读取FRAM模块内存储的标定值，FPGA处理模块输出到RS485模块。本实用新型精度指标高，响应速度快，符合IEC584标准。
【专利说明】多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件
【技术领域】
[0001]本实用新型属于信号处理【技术领域】，具体涉及一种基于FPGA技术的多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件。
【背景技术】
[0002]在第三代数字化AP1000核电站控制系统中，根据不同的核安全分级，采用安全级和非安全级两个不同的平台实现安全控制功能。安全级平台即保护和安全检测系统(protection and safety monitoring system, PMS),实现反应堆保护系统的功能；非安全级平台即电厂控制系统(plant control system, PLS),实现核岛/常规岛/电厂配套设施(balance of plant, BoP)大多数的控制功能。将这些可能受到共因故障影响的安全功能组合到一起，就组成了多样性驱动系统(dispersive actuation system, DAS)。DAS是独立于PMS和PLS外的一个孤立系统。当保护和安全检测系统出现概率极低的共因故障时，DAS系统用来触发反应堆紧急停堆和汽轮机停机，降低堆芯熔化和安全壳超压的概率，起到PMS和PLS后备系统的作用。
[0003]由于DAS系统是保护和安全检测系统PMS和电厂控制系统PLS的备用性系统，因此它采用不同于PMS和PLS的结构、硬件和软件，这也是AP1000核电站控制系统在提高安全性措施方面的一项重要措施。DAS系统是一个完全基于硬件的系统，没有软件控制，主芯片采用FPGA (现场可编程门阵列)，硬件描述语言选用VHDL和Verilog HDL0所有的通信和数据处理功能都是在FPGA内实现。
[0004]热电偶热电阻模拟信号调理卡件在DAS系统内起到输入热电偶热电阻模拟信号，并进行转换，通过RS485或光纤输出定点数工程量值，给DAS系统内的定值模块、显示模块或者通信模块。热电偶热电阻调理卡件还可以接收通信模块传送来的标定值k，b和工程量线形转换A，B值。
【发明内容】
[0005]本实用新型是针对DAS系统与安全检测系统PMS、电厂控制系统PLS不兼容的问题，提出了一种多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，能够快速准确地把热电偶热电阻模拟信号转换成工程量值。
[0006]为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，包括以FPGA为核心的FPGA处理模块、模拟信号调理卡件、AD采样模块、FRAM模块、RS485通信模块和电源电路，其特征在于:热电偶模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为O?60mV电压信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；热电阻模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为18.52?329.64 Ω电阻信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；冷端补偿模拟信号进入单路模拟信号调理卡件直接转化为温度工程量数据后送入单路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；FPGA处理模块同时读取FRAM模块内存储的标定值，FPGA处理模块通过UART端口的两根信号线CE和TXD，输出到RS485模块，RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号转换成差分信号，发送到通信模块或者是本地显示模块。
[0007]所述四路热电偶电压信号隔离AD采样模块和四路热电阻电阻信号隔离AD采样模块接收到模拟信号后，分别通过八个隔离的AD芯片转换为24位原码，以隔离的八路SPI串行通信方式发送到FPGA处理模块。
[0008]所述FPGA处理模块通过八通道SPI收发模块将AD芯片转换出来的原码从串行数据转换成并行数据保存，同时读取FRAM模块内存储的标定值，对热电偶和冷端补偿的补码进行标定运算，标定后的八路数据分别进行40ms/80ms数字滤波处理，处理计算的数据放入UART发送模块，UART发送模块根据串口通信协议，将数据发送到FPGA处理模块的UART输出端口。
[0009]所述RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号通过磁隔离芯片，进入RS485驱动，成为差分信号。
[0010]所述FPGA处理模块通过RS485模块接收从通信模块发来的标定数据和线性转换系数，并将数据保存在FRAM模块的固定地址内。
[0011]本实用新型的有益效果在于:本实用新型多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，采用与核电保护和安全监测系统、核电厂控制系统完全不同的设计方案，有利于提高AP1000核电系统的安全等级；采用硬件电路和FPGA设计，避免了软件设计V&V认证，加快了开发进度；调理卡件采用隔离的RS485通信，提高了系统可靠性；调理卡件热电偶和热电阻精度指标高，响应速度快，符合IEC584标准。基于FPGA技术的调理无论模拟信号采样精度、采样速度还是安全性能都具有其他模拟信号调理卡件所没有的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件原理框图。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示基于FPGA技术的多样性驱动DAS系统热电偶热电阻调理卡件原理框图，包括以FPGA为核心的FPGA处理模块1、八路模拟信号调理卡件6、单路模拟信号调理卡件6 ’、八路AD采样模块2、单路AD采样模块2 ’、FRAM模块3、RS485通信模块4和电源电路5，其特征在于:热电偶模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为O?60mV电压信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；热电阻模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为18.52?329.64 Ω电阻信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；冷端补偿模拟信号进入单路模拟信号调理卡件直接转化为温度工程量数据后送入单路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；FPGA处理模块同时读取FRAM模块内存储的标定值，FPGA处理模块通过UART端口的两根信号线CE和TXD，输出到RS485模块，RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号转换成差分信号，发送到通信模块或者是本地显示模块。
[0014]所述四路热电偶电压信号隔离AD采样模块和四路热电阻电阻信号隔离AD采样模块接收到模拟信号后，分别通过八个隔离的AD芯片转换为24位原码，以隔离的八路SPI串行通信方式发送到FPGA处理模块。
[0015]所述FPGA处理模块通过八通道SPI收发模块将AD芯片转换出来的原码从串行数据转换成并行数据保存，同时读取FRAM模块内存储的标定值，对热电偶和冷端补偿的补码进行标定运算，标定后的八路数据分别进行40ms/80ms数字滤波处理，处理计算的数据放入UART发送模块，UART发送模块根据串口通信协议，将数据发送到FPGA处理模块的UART输出端口。
[0016]所述RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号通过磁隔离芯片，进入RS485驱动，成为差分信号。
[0017]所述FPGA处理模块通过RS485模块接收从通信模块发来的标定数据和线性转换系数，并将数据保存在FRAM模块的固定地址内。
[0018]实施例一:带冷端补偿的热电偶模拟信号调理功能
[0019]当输入的模拟信号是热电偶(T型、K型、E型、N型、J型、B型、S型、R型)时，首先通过四路模拟信号调理卡件6，把模拟信号处理为O~60mV电压信号分别送入四片AD采样模块2，接收到模拟信号后AD芯片将其分别转换为24位原码，以隔离的四路SPI串行通信方式发送到FPGA，SPI的隔离采用磁耦，保证了现场信号与控制电路相互隔离，相互独立。热电偶PtlOO类型的冷端补偿模拟信号，进入单路模拟信号调理卡件直接转化为温度工程量数据后送入单路隔离AD采样模块进行模数转换，AD芯片将其分别转换为24位原码，输出数字信号以单路S PI串行通信方式进入FPGA处理模块。FPGA通过SPI收发模块将AD芯片转换出来的原码从串行数据转换成并行数据保存，取24位中的高16位进行码值转换，确保精度，从原码转换为补码，方便数据运算，同时读取FRAM内存储的标定值kl~k4、k9和bl~b4、b9,对热电偶的补码进行kl~4x+bl~4的标定运算,对冷端补偿PtlOO的补码进行k9x+b9的标定运算，标定后的四路数据和冷端补偿值分别进行40ms/80ms数字滤波处理，增加数据稳定性。之后将这四路数据分别和冷端补偿值相加，得到补偿后的热电偶信号，以此作为热电偶非线性反查表的地址，在FRAM中读取该地址所对应的16位数据，即为热电偶的2字节实际工程量值，然后补上I字节的固定小数点位，其中热电偶信号工程量值无小数点。小数点字节的定义见下表:
[0020]
【权利要求】
1.一种多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，包括以FPGA为核心的FPGA处理模块、模拟信号调理卡件、AD采样模块、FRAM模块、RS485通信模块和电源电路，其特征在于:热电偶模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为O?60mV电压信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；热电阻模拟信号通过四路隔离模拟信号调理卡件转换为18.52?329.64 Ω电阻信号后送入四路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；冷端补偿模拟信号进入单路模拟信号调理卡件直接转化为温度工程量数据后送入单路隔离AD采样模块进行模数转换，输出数字信号进入FPGA处理模块；FPGA处理模块同时读取FRAM模块内存储的标定值，FPGA处理模块通过UART端口的两根信号线CE和TXD，输出到RS485模块，RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号转换成差分信号，发送到通信模块或者是本地显示模块。
2.根据权利要求1所述多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，其特征在于:所述四路热电偶电压信号隔离AD采样模块和四路热电阻电阻信号隔离AD采样模块接收到模拟信号后，分别通过八个隔离的AD芯片转换为24位原码，以隔离的八路SPI串行通信方式发送到FPGA处理模块。
3.根据权利要求2所述多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，其特征在于:所述FPGA处理模块通过八通道SPI收发模块将AD芯片转换出来的原码从串行数据转换成并行数据保存，同时读取FRAM模块内存储的标定值，对热电偶和冷端补偿的补码进行标定运算，标定后的八路数据分别进行40ms/80ms数字滤波处理，处理计算的数据放入UART发送模块，UART发送模块根据串口通信协议，将数据发送到FPGA处理模块的UART输出端口。
4.根据权利要求1所述多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，其特征在于:所述RS485模块将CE和TXD信号线得来的信号通过磁隔离芯片，进入RS485驱动，成为差分信号。
5.根据权利要求1所述多样性驱动DAS系统热电偶热电阻模拟信号调理卡件，其特征在于:所述FPGA处理模块通过RS485模块接收从通信模块发来的标定数据和线性转换系数，并将数据保存在FRAM模块的固定地址内。
【文档编号】G05B19/042GK203759469SQ201320887346
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】孙旭华, 许大庆, 包伟华, 朱强, 邵继红 申请人:上海自动化仪表股份有限公司