一種便攜式智能式格雷碼發生裝置的研究

翟磊 高東博

摘要：核電廠棒位顯示的檢測裝置通常用格雷碼發生器，通過人為撥動開關來模擬棒位，進而檢測棒位的顯示系統是否工作正常，由于現用格雷碼發生裝置有體積大，測試時人為干預過多，操作攜帶麻煩等不利因素，因此研究設計一種以MCU為主導的便攜式智能格雷碼發生器裝置來實現棒位顯示的精準檢測。

關鍵詞：格雷碼信號發生器 棒位檢測 核電廠 單片機 arduino

一、傳統格雷碼信號發生器測試裝置

核電廠每工作一定的時間需要對廠內設備進行例行檢測和維修，控制棒是核電廠反應堆重要組成部件。各棒束的位置決定著反應堆活性大小，因此棒束位置的顯示系統是核電廠重要系統之一，每一根棒的位置通常通過棒位系統的測量單元得到對應的5位格雷碼數據，并將格雷碼數據傳輸到后端的棒位顯示單元，進而顯示棒束當前位置。在例行實驗中為測試顯示棒位步數的準確性和響應性，現常用格雷碼信號發生器替代棒位檢測單元輸出格雷碼型號，依照測試程序進行手動給定格雷碼數據，并由主控室檢測顯示步數。

a）裝置結構

目前格雷碼信號發生器是近似值為500*300*400（長*寬*高，mm）的箱體。并且外部需接入220VAC工作電源，由普通數碼管顯示當前輸出的格雷碼步數。在手動測試區中集成多通道的測試撥檔開關，箱體背面是多通道的9孔串口輸出接口，用于輸出格雷碼步數。

b）測試

手動測試：每個棒束的顯示由5個兩位開關的邏輯組合來實現，即從0步到32步中的任一數值顯示了棒束位置。那么在手動測試時，僅測試一根棒束，操作員就要對5個兩位開關進行不斷的換撥，模擬出32個位置的觸發信號。

自動測試：一般分為1步/分，6步/分，9步/分的速度選擇，實現單步自增加步數，并由棒位顯示的對比來判斷準確與否。

c）缺點

箱體規格較大、笨重;在測試期間需有線電源才能工作;手動測試時，對5個開關的操作是對應一個顯示單元，容易出現漏測，且效率低;每個輸出通道接一組線束，多通道輸出接線復雜，基于如此諸多不利因素，研發一種便攜式智能格雷碼信號發生器裝置是一個很有意義創新。

二、便攜式智能格雷碼信號發生器

除了滿足在役格雷碼信號發生器的功能外，研究的新型格雷碼信號發生器（后程便攜式發生器）還具備棒位顯示單元的故障診斷，無線連接，電源管理等功能。主要特色是輕便小巧，易于攜帶，采用內置可充電鋰電池，省去外接電源。

1. 功能設計規劃

便攜式發生器采用Type-C口進行充電、開關機按鍵設計為短按開機，長按關機、手自動切換按鍵、手動步數增減按鍵和自動增減步頻按鍵。信號輸出接口為5為格雷碼信號輸出端口，同時設計了DC15V棒位顯示單元供電輸出端口，使測試與被測單元都獨立于外接電源。在測試時通過檢測棒位顯示單元的電源電流判斷被測單元是否存在故障，設計留有無線藍牙接口，可連接外部智能無線終端來進行測試工作，顯示單元采用128x64的OLED顯示屏，可顯示充電狀態，故障指示，手自動選擇，測試數據等。

2. 硬件設計

◆Type-C充電端口和LIPO充電電路實現對內置鋰Lipo電池的充電功能;

◆電子電源開關電路，實現工作電源的控制，實現開關機功能。當開機時有按鍵觸發開機并由單片機控制電子開關;當關機時有單片機給出指令關閉電源。

◆工作電源BOOST是將電池電壓提升到穩定的5V后為整個系統供電，實現升壓和穩壓的功能。

◆15V供電BOOST是為外部被測設備提供穩定的15V供電的電路，由單片機控制，只有當啟動測試后才有電壓輸出。當正常測試時，由電流檢測測試被測設備的電流并反饋給單片機。

◆格雷碼輸出電路，是將單片機輸出的信號進行功率放大，并由輸出端口輸出。

◆單片機系統，是整個設備的核心，由內部軟件實現各個功能。

◆按鍵電路和OLED顯示器，實現設備的人機交互，可以通過設置格雷碼發生器的工作模式和參數，并由OLED顯示當前參數和狀態。

3. 軟件設計

軟件是整個設備的核心內容，主要的工作流程是由按鍵啟動電源后，軟件開始初始化并進入待機狀態;由“啟動/停止”按鍵啟動測試后，進入工作狀態并輸出電源以及格雷碼信號;需要關機時，長按“電源”按鍵，單片機控制電源電路關閉，進入到關機狀態。

待機狀態：進入待機狀態后，單片機對外設進行初始化，并顯示當前工作的狀態和參數，并等待按鍵的輸入，進而執行對應的工作模式。通過‘電源/模式’按鍵切換工作模式：自動模式->手動模式->藍牙模式。具體流程見下圖：

自動模式：當OLED顯示“AUTO”時表示進入了自動工作模式，通過“啟動/停止”按鍵啟動后，可以自動循環輸出格雷碼信號，實現整個棒位顯示系統快速測試，輸出信號的頻率快慢可以通過“加/減”按鍵設置。

手動模式：當OLED顯示“MANL”時表示進入了手動工作模式，同樣的由“啟動/停止”按鍵控制啟停，啟動后由按鍵“加”增加步數，由按鍵“減”減少步數，并直接由端口輸出?？梢詫崿F對某一特定步數的狀態進行檢測。

藍牙模式：可以通過智能終端，控制發生器的工作狀態和參數，適用于單人遠距離測試操作，只需要將發生器插入到被測設備的輸入端口后，即可通過智能終端上的操作實現自動工作和手動工作的功能測試。

便攜式智能格雷碼發生器整體設計與以往發生器相比較，有效的減少了體積，同時不需要外部電源供電，因此可以作為一個便攜式儀器使用。在自動工作模式時，由于采用了單片機軟件算法，因此可以有更高分辨率的速度輸出，相比較之前只有3檔的輸出有了很高的提升。核電的棒位檢測系統與顯示系統在相距較遠的位置式，可以采用藍牙模式，通過智能終端控制格雷碼信號的輸出，便工作人員測試使用。

參考文獻：

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