文章编号： 1004⁃373X（2015）24⁃0124⁃04
Optimization design and implementation of nuclear leak signal detection system
WANG Jing， LI Jufeng， DUAN Hongwei
（Nuclear and Radiation Safety Center， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100009， China）
Abstract： For great error problems in current system storage and detection radius， a nuclear leak signal detection system was designed and implemented. The overall design block diagram of the system is offered in this paper. The control module is taken as the core of the nuclear leak signal detection system to uniformly control and schedule the whole system， and coordinate the communication among the various modules. The signal is amplified and filtered by amplification⁃filtering module， and acquired with acquisition module to provide the foundation for subsequent data processing. The data communication module is adopted to complete the communication between the control panel and upper PC， and receive the mission from the upper computer， simultaneously send the data collected by signal acquisition module to the upper computer for processing， and transmit part commands to the slave motor plate to receive the returned data and status from the motor plate in real⁃time for processing. In software design process， the nuclear leak signal detection system is analyzed in detail， and the realization process and part system program codes of the nuclear leak signal detection are provided. The experimental results show that the designed system has high practicability and reliability.
Keywords： nuclear leak； signal detection； control module； system design
0 引 言
核泄漏又被称作核熔毁，是种发生于核能反应炉故障时，严重的后遗症[1⁃2]。核泄漏所发出的核能辐射虽远比核子武器威力范围小，但是同样能造成一定程度的生物伤亡[3⁃5]。一般的情况核泄漏对人员的影响表现在核辐射，也叫做放射性物质。放射性物质可通过呼吸吸入，皮肤伤口及消化道吸收进入体内，引起内辐射，Y辐射可穿透一定距离被机体吸收，使人受到外照射伤害[6⁃8]。因此，设计一种核泄漏信号检测系统具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题，受到越来越广泛的关注[9⁃10]。本文设计并实现了一种核泄漏信号检测系统，为实现核所处环境的安全性提供有效依据。仿真实验结果表明，所设计的系统具有很高的实用性和可靠性。
1 系统总体设计框架
核泄漏将会引发很大的安全隐患，需设计与实现一种核泄漏信号检测系统，系统主要由控制模块、放大滤波模块、信号采集模块、数据通信模块和谱分段对消检测模块，详细结构如图1所示。
图1 系统总体设计
2 系统硬件设计
2.1 控制模块
控制模块为核泄漏信号检测系统的核心，主要用于整个系统的统一控制与调度，对各模块之间的通信进行协调，该模块详细结构如图2所示。
图2 控制模块硬件结构
本系统选用的FPGA 型号为 EP2C5Q208C8N。其中：EP2C代表该芯片属于Cyclone Ⅱ系列；5代表器件类型；Q208代表 PQFP 封装，208 引脚；C表示工作温度等级为商业级；8代表器件的速度等级是8 ns。在本文系统中，时钟速度最快的是AD7765，其MCLK 的最大值可达40 MHz，而核心板上的晶振频率为50 MHz，可以看出二者之间非常合适。CPLD主要用于逻辑控制，可实现对信号采集模块的控制，而且增加了FPGA外围的I/O口，扩展了外围资源。
2.2 放大滤波模块
放大滤波模块主要负责对信号进行放大滤波。本文将PGA204芯片作为放大芯片，PGA204 放大倍数可达1 000 倍，但其针对核泄漏这种高精度检测对象，仍未达到要求，因此，本系统将2片 PGA204 串联以达到更高倍数的放大。PGA204不仅耗能低，而且有很高的精度。PGA204利用激光调整使芯片的失调电压大大降低，供电电压也低至4.5 V，完全适用于核泄漏信号的检测。
2.3 信号采集模块
信号采集模块直接影响了初始数据的准确性，为后续数据的处理提供基础，该模块详细硬件结构见图4。
图3 放大滤波模块硬件结构
图4 信号采集模块硬件结构
本系统信号采集模块采用Analog公司生产的 AD7765对经放大滤波处理后的信号进行数字化转换。AD7765是一种高性能、24 位精度的Sigma⁃Delta（Σ⁃Δ）模/数转换器（ADC），完全适用于本文系统。
对采集的信号进行放大滤波后，通过跟随器减少放大器输出电阻，从而加强后续电路的负载能力，最后和MAX1132 芯片对输入模拟信号进行采集和转换，转换成数字信号发送至控制模块。
2.4 数据通信模块
数据通信模块一方面需实现控制板和上位 PC机之间的通信，接收上位机的任务，同时将信号采集模块采集的数据发送至上位机进行处理。另一方面需将部分命令发送至下位的电机板，同时实时接收电机板返回的数据和状态进行处理。数据通信模块硬件结构见图5。
为了增强信号采集模块的准确性和效率，对数据采集和传输进行同步控制。由于串口控制是利用 TL16C550C 的串实现的，所以采用2个TL16C550C 芯片，分别用于和上位 PC 机及下位电机板的基本通信。
图5 数据通信模块硬件结构
3 系统软件设计
3.1 基于谱分段对消的核泄漏信号检测算法
谱分段对消检测算法是一种基于功率谱密度的信号检测方法，该方法能够屏蔽外界环境的干扰，还能够解决信号淹没在噪声中的问题。谱分段对消检测算法的流程图用图6进行描述。
图6 总体流程图
依据上述流程，采用谱分段对消检测算法实现核泄漏信号检测的详细过程如下：
（1） 接收端对接收到的信号进行采样，同时将采样信号划分成[T]帧，求出各帧信号的频谱[Xtk]、各帧信号的功率谱密度[Stk]、[T]帧功率谱密度的均值，获取平均功率谱密度[Savgk]；
（2） 依据平均功率谱密度[Savgk]，分别求出总功率谱均值[Sm]与段功率谱均值[Sm′]。对平均功率谱密度[Savgk]全部频点进行求和，然后计算其平均值，获取总功率谱均值[Sm]；
将平均功率谱密度[Savgk]划分为[L]段，求出各段的平均值，获取段功率谱均值[Sm′]；
（3） 求出检验统计量[r]；
（4） 求出门限[γ]；
（5） 将步骤（3）获取的检验统计量[r]和步骤（4）获取的门限值[γ]进行比较，判断有无核泄漏信号，如果[r]超过[γ]，则认为有泄漏信号，否则，认为无核泄漏信号。
3.2 代码设计
本文设计的核泄漏信号检测系统的软件，在Windows 2000环境下，通过 Visual C++ 6.0 来完成，完成系统配置文件的部分代码如下：
dt=0.002；
t=0：dt：1；
m=length（t）；
x=sin（2*pi*5*t）+sin（2*pi*50*t）+sin（2*pi*200*t）+
0.1*rand（1，m）；
Subplot（321）；plot（t，x）； title（）
F=10；
N=50；
for i=⁃N：N
f（1，N+1+i）=sin（2*pi*5*i*dt）/（pi*i）；
end
f（1，N+1）=F*2*dt；
M=size（f，2）；NN=size（x，2）；
X=zeros（1，M+NN⁃1）；A=rot90（f）；
B=[zeros（1，M⁃1），x，zeros（1，M⁃1）]；
for i=1：M+NN⁃1
for j=1：M
temp=A（j）*B（j+i⁃1）；
X（i）=X（i）+temp；
end
end
Subplot（322） ；plot（X）
title（）
F2=100；F1=10；
for i=⁃N：N
ff（1，N+1+i）=2*sin（pi*（F2⁃F1）*i*dt）*
cos（pi*（F2+F1）*i*dt）/（pi*i）；
end
4 仿真实验分析
为了验证本文设计的核泄漏信号检测系统的有效性，需要进行相关的实验分析。实验将基于置信度的核泄漏信号检测系统作为对比，从频率估计性能和检测精度两方面进行分析。
两种系统的频率估计性能如表1所示。
表1 两种系统的频率估计性能
由表1可以看出，采用本文系统对信号频率进行估计的误差明显低于基于置信度的核泄漏信号检测系统。说明本文系统有很高的精度，验证了本文系统的实用性。分别采用本文系统和基于置信度的核泄漏信号检测系统对核泄漏进行检测，检测准确率比较结果如图7所示。
图7 两种系统准确度比较
由图7可以看出，采用本文系统的检测准确度一直高于基于置信度的核泄漏信号检测系统，而且检测准确度曲线相对平稳，说明本文系统不仅检测准确度高而且系能稳定。
5 结 语
本文设计并实现了一种核泄漏信号检测系统，给出系统总体设计框图，将控制模块作为核泄漏信号检测系统的核心，主要负责整个系统的统一控制与调度，对各模块之间的通信进行协调。通过放大滤波模块对信号进行放大滤波处理。利用采集模块对信号进行采集，为后续数据的处理提供基础。
利用数据通信模块完成控制板和上位 PC机之间的通信，接收上位机的任务，同时将信号采集模块采集的数据发送至上位机进行处理，以及将部分命令发送至下位的电机板，实时接收电机板返回的数据和状态进行处理。软件设计过程中，对核泄漏信号检测系统进行了详细的分析，并给出核泄漏信号检测的实现过程以及系统部分程序代码。实验结果表明，所设计的系统具有很高的实用性和可靠性。
参考文献
[1] 冯烁.路段感应式行人过街信号控制系统的优化设计[J].大众科技，2014（6）：24⁃27.
[2] 卢玲，谢尉鸿.基于碰撞信号的车祸碰撞检测系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（10）：2664⁃2666.
[3] 陈良刚，张波，丘东元，等.嵌入式谐波检测系统数据实时处理优化分析与设计[C]//第九届中国电源学会全国电源技术年会论文集.北京：中国电源学会，2013：134⁃139.
[4] 康宜华，姜怀芳，伍剑波，等.在役抽油杆漏磁检测系统改进设计及信号分析[J].石油机械，2013（8）：71⁃75.
[5] 刘文静，王民慧，汪亚霖，等.强磁场下微弱信号检测系统设计[J].传感技术学报，2013（6）：865⁃870.
[6] 李炜，黄倩.基于小波时频分析的心音异常信号检测[J].电子设计工程，2015，23（6）：41⁃43.
[7] 郑伟.基于主从处理器的脉冲信号检测系统设计[J].国外电子测量技术，2014（11）：33⁃37.
[8] 钟维，黄启俊，常胜，等.基于SoPC的复合式生理信号检测系统设计[J].传感技术学报，2014（4）：446⁃451.
[9] 郑科鹏，周天阳，张慧.陕西广播电视台播出系统信号检测系统设计和实践[J].世界广播电视，2013（11）：92⁃93.
[10] 司淑平.基于LabVIEW的混沌微弱信号检测系统设计[J].电子科技，2013，26（6）：34⁃36.
推荐访问： 优化设计 检测系统 信号 核泄漏