CAN总线网络多节点区域辐射监测系统设计.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 总线网络多节点区域辐射监测系统设计徐园，卫晓峰，王希涛，董伟洁，孔海宇（中 国辐射防护研究院，太原）摘要：研制了一套基于总线网络的多节点区域辐射监测系统，系统主机集中管控多个就地处理箱，每个就地处理箱连接多个不同类型的探测装置，可在主机平台同时显示辐射场所内部各个监测 点的实时辐射水平。不同类型探测装置（区域、区域中子、电离室、气溶胶等）采用统一的模块化软硬件设计，具备通用接口及通信协议，便于系统功能扩展和现场维护。关键词：总线；多节点监测；模块化设计中图分类号：文献标志码：文章编 号：（）目前，国 内核军工及核燃料循环的核动力设备中使用的区域辐射监测系统多采用模拟信号通信，抗干扰能力差，布线复杂，环境适应性不强。为此，本文在前期全数字化在线辐射监测系统研发基础上，设计研制了多节点区域辐射监测系统。该系统采用基于总线网络结构的全数字化数据传输，具有开放的软硬件平台，可靠性髙。整个监测系统建立总线结构的通信模式，实现多监测点区域辐射监测的就地测量和集中监控。不同类型探测装置软硬件均采用模块化设计，具有通用接口、供电及通信协议，可根据应用需求增减监测 点数量和更换探测类型，相比于传统的单一区域辐射监测系统，简化了现场布线，降低了硬件成本和维护成本，适用于需要同时获取多个监测 点辐射水平的场合。收稿日期作者简介：徐园（），女，江西丰城人，副研究员，主要从事辐射监测技术研究。总体设计系统架构多节点区域辐射监测系统构成主要包括三层：底层的探测装置（就地监测），中层的就地处理箱（现场处理），上层的主机（集中管理）。主机、就地处理箱与探测装置三者之间通过总线连接，形成一个完整的区域辐射监测系统。其中，主机与就地处理箱之间通过 协议通信，就地处理箱与探测 装置之间通过总线通信。根据协议，理论上一个主机可同时管理最多个就地处理箱；根据协议，每个就地处理箱可同时连接个探测装置，具体布局点数可视实际应用情况而定。监测系统通信网络结构图如图所示。系统功能根据辐射分布、射线种类、强度，底层的各探测装置按需求分别安装在指定监测点，并按安装位置所处区域分组；每组探测装置对应连接一个就地处理箱，进行辐射数据通信；中层的就地处理箱获取连接的探测装置所在监测点的图监测系统通信网络结构图剂量率，实现辐射信息的现场显示与报警，同时上传数据至主机；上层的主机集中管理各就地处理箱数据，全面掌握整个系统各监测 点的辐射水平、报警信息等内容，实现多节点区域辐射监测系统信息集中管控。探测装置数据处理模块设计为实现系统信息全数字化传输，提高数据传输可靠性，对不同类型的探测装置采用统一的数据处理模块化设计，使其具有相同的接口、供电和通信协议，可与就地处理箱灵活匹配使用。探测装置信号转化流程为：辐射信号进人探测器后产生电信号，电信号经过前置电路收集、成型处理转化为脉冲信号后，通过测量电路对脉冲信号进行计数；最后数据经由通信电路上传至就地处理箱。探测装置电路采用模块化设计，主要包括个功能模块：测量电路、控制电路、通信电路、电源电路。其中，通信电路、电源电路、控制电路具有通用性：通信电路统一采用总线通信，电源电路包括为探头供电的高压电源 和为测量电路、控制电路、通信电路供电的低压电源，控制电路均采用技术实现控制功能。只有测量电路根据探测装置的类型采用不同 的电路设计，这也是不同探测装置电路设计的主要区别所在。探测装置电路设计框图如图所示。为实现不同类型探测装置通信协议的统一，探测装置测量软件设计也采用模块化设计，主要程序块包括测量、通信、自检、参数设置等。根据不同类型探测装置测量电路输出信号类型编写测量程序，若输出标准方波，采用计数方式，编写计数器实现；若输出信号为不同幅度的准高斯波，采用方式，编写转换程序。探测装置采用总线方式通信，根据协议编写通信程序。探测装置测量软件设计流程如图所示。就地处理箱设计就地处理箱是整个监测系统的中枢，可为各探测装置供电，并完成探测信号的采集、存储、上传。就地处理箱集成了友好的人机接口（报警灯、指示灯、显示屏、薄膜按键、接口、蜂鸣器、权限锁），具有总线接口、接口，可与 多类型探测装置通信，成为一个通用信息平台。就地处理箱软件设计实现的功能包括：按键、显示、报警、采数、数据处理、数据上传、关键参数掉电存储、历史数据存储等。基于系统采用进行软件开发，根据需实现的功能，将软件任务划分为按键任务、显示任务、参数设置任务、数据处理任务等四类，这个软件任务之间通过信号量、互斥信号量、消息邮箱、消息 队列、全局变量等通信工具互相协同工作，软件任务关联图如图所示。繳？￥符！测伽数￥探装图探测装置电路设计框图图探测 装置测量软件设计流程图主机软件设计图就地处理箱软件设计任务关联图主机软件基于开发系统进行设计开发，实现对整个多节点区域辐射监测系统的集中监控，可在机平台上运行。主机与就地处理箱之间通过协议建立通信网络，主机不与探测装置直接通信。主机作为主站，负责管理探测 装置电路总线就地处理箱示任务侧网络上的从站设备（就地处理箱）与主机之间的数据交换；就地处理箱作为从站，一方面获取对应探测装置数据，另一方面将数据打包上传至主站。主机网络组建图如图所。主机软件实现的功能包括接收就地处理箱所接各探测装置的测量数据、连接状态、报警状态、高压状态；发送设置参数至就地处理箱，设置各探测装置报警阈值。主机软件界面可统一显示整个系统所有监测点的信息，实现集中监控。图网络组建图主要技术参数与性能测试主要技术参数辐射监测系统各探测装置主要技术参数见表。表辐射监测系统各探测装置主要技术参数计数管型探测 装置半导体区域探测装置中子探测装置电离室型探测装置探测器：计数管；（）探测射线：射线；（）测量范围：（量程可自动转换；（）相对固有误差：在；（）能量响应：，内响应偏差 ；（）测量响应时间：矣（剂量率介于）（）探测器：硅半导体；（）探测射线射线；（）测量范围：；（）相对固有误差：矣；（）會巨量响应：内响应偏差；（）测量响应时间：（）？），（？）（）探测 器：正比计数管；（）探测射线：中子；（）测量范围：；（）相对固有误差：名；（）能量响应：对和源的能量响应偏差；（）测量响应时间：矣（）探测器：电离室；（）测射线射线；（）测量范围：，量程可自动转换；（）相对固有误差：矣；（）能量响应：，内响应偏 差；（）测量晌应时间：专（剂量率介于）可靠性分析稳定性测试理论计算辐射监测系统各主要组成的失效率，验证可靠性指标。系统就地处理和探测装置的可靠性模型均为串联模型，对就地处理箱综合考虑信息接口、计算处理单元、显示模块、在保证辐射监测系统功能正常运行的前提下，对系统进行长期通电运行试验，连续运行，整个试验期间无故障发生，测量值相对固有误差不超过。报警单元、电源模块等五方面内容进行可靠性预计，对探测装置综合考虑通讯电路、测量电路、高压电路三方面内容进行可靠性预计，综合计算得到辐射监测系统彡。结论基于总线的多节点区域辐射监测系统的研制提高了辐射监测设备的自动化水平，简化了布线和维护，节约了硬件成本；系统信息的集中管理方便运行人员对辐射数据进行分析与记录，该系统探测类型的可扩展性使其具有更加广泛的应用，包括核动力舰船、核电站等核设施内部以及周围环境中的辐射监测。另外，研制的这套多节点区域辐射监测系统具有很好的实用性和可扩展性，可为核设施的运行、检修、退役提供区域辐射监测手段。目前，该监测系统已成功应用于多舱室核动力设备及核设施运输等场所的辐射监测。随着核能利用的加速发展，以及公众核安全意识的提高和国家对核安全监管力度的增加，多节点区域辐射监测系统将拥有更为广泛的应用前景。参考文献：王希涛，靳根，乔莉，等基于和的全数字化在 线辐射监测系统仪表 技术，（）：，周立功项目驱动一现场总线基础教程北京：北京航空航天大学出版社，周立功与嵌入式系统基础教程北京：北京航空航天大学出版社，周航慈基于嵌人式实时操作系统的程序设计技术北京：北京航空航天大学出版社，（，）：，（），（，），：；