一种便携式智能式格雷码发生装置的研究

翟磊 高东博

摘要：核电厂棒位显示的检测装置通常用格雷码发生器，通过人为拨动开关来模拟棒位，进而检测棒位的显示系统是否工作正常，由于现用格雷码发生装置有体积大，测试时人为干预过多，操作携带麻烦等不利因素，因此研究设计一种以MCU为主导的便携式智能格雷码发生器装置来实现棒位显示的精准检测。

关键词：格雷码信号发生器 棒位检测 核电厂 单片机 arduino

一、传统格雷码信号发生器测试装置

核电厂每工作一定的时间需要对厂内设备进行例行检测和维修，控制棒是核电厂反应堆重要组成部件。各棒束的位置决定着反应堆活性大小，因此棒束位置的显示系统是核电厂重要系统之一，每一根棒的位置通常通过棒位系统的测量单元得到对应的5位格雷码数据，并将格雷码数据传输到后端的棒位显示单元，进而显示棒束当前位置。在例行实验中为测试显示棒位步数的准确性和响应性，现常用格雷码信号发生器替代棒位检测单元输出格雷码型号，依照测试程序进行手动给定格雷码数据，并由主控室检测显示步数。

a）装置结构

目前格雷码信号发生器是近似值为500*300*400（长*宽*高，mm）的箱体。并且外部需接入220VAC工作电源，由普通数码管显示当前输出的格雷码步数。在手动测试区中集成多通道的测试拨档开关，箱体背面是多通道的9孔串口输出接口，用于输出格雷码步数。

b）测试

手动测试：每个棒束的显示由5个两位开关的逻辑组合来实现，即从0步到32步中的任一数值显示了棒束位置。那么在手动测试时，仅测试一根棒束，操作员就要对5个两位开关进行不断的换拨，模拟出32个位置的触发信号。

自动测试：一般分为1步/分，6步/分，9步/分的速度选择，实现单步自增加步数，并由棒位显示的对比来判断准确与否。

c）缺点

箱体规格较大、笨重;在测试期间需有线电源才能工作;手动测试时，对5个开关的操作是对应一个显示单元，容易出现漏测，且效率低;每个输出通道接一组线束，多通道输出接线复杂，基于如此诸多不利因素，研发一种便携式智能格雷码信号发生器装置是一个很有意义创新。

二、便携式智能格雷码信号发生器

除了满足在役格雷码信号发生器的功能外，研究的新型格雷码信号发生器（后程便携式发生器）还具备棒位显示单元的故障诊断，无线连接，电源管理等功能。主要特色是轻便小巧，易于携带，采用内置可充电锂电池，省去外接电源。

1. 功能设计规划

便携式发生器采用Type-C口进行充电、开关机按键设计为短按开机，长按关机、手自动切换按键、手动步数增减按键和自动增减步频按键。信号输出接口为5为格雷码信号输出端口，同时设计了DC15V棒位显示单元供电输出端口，使测试与被测单元都独立于外接电源。在测试时通过检测棒位显示单元的电源电流判断被测单元是否存在故障，设计留有无线蓝牙接口，可連接外部智能无线终端来进行测试工作，显示单元采用128x64的OLED显示屏，可显示充电状态，故障指示，手自动选择，测试数据等。

2. 硬件设计

◆Type-C充电端口和LIPO充电电路实现对内置锂Lipo电池的充电功能;

◆电子电源开关电路，实现工作电源的控制，实现开关机功能。当开机时有按键触发开机并由单片机控制电子开关;当关机时有单片机给出指令关闭电源。

◆工作电源BOOST是将电池电压提升到稳定的5V后为整个系统供电，实现升压和稳压的功能。

◆15V供电BOOST是为外部被测设备提供稳定的15V供电的电路，由单片机控制，只有当启动测试后才有电压输出。当正常测试时，由电流检测测试被测设备的电流并反馈给单片机。

◆格雷码输出电路，是将单片机输出的信号进行功率放大，并由输出端口输出。

◆单片机系统，是整个设备的核心，由内部软件实现各个功能。

◆按键电路和OLED显示器，实现设备的人机交互，可以通过设置格雷码发生器的工作模式和参数，并由OLED显示当前参数和状态。

3. 软件设计

软件是整个设备的核心内容，主要的工作流程是由按键启动电源后，软件开始初始化并进入待机状态;由“启动/停止”按键启动测试后，进入工作状态并输出电源以及格雷码信号;需要关机时，长按“电源”按键，单片机控制电源电路关闭，进入到关机状态。

待机状态：进入待机状态后，单片机对外设进行初始化，并显示当前工作的状态和参数，并等待按键的输入，进而执行对应的工作模式。通过‘电源/模式’按键切换工作模式：自动模式->手动模式->蓝牙模式。具体流程见下图：

自动模式：当OLED显示“AUTO”时表示进入了自动工作模式，通过“启动/停止”按键启动后，可以自动循环输出格雷码信号，实现整个棒位显示系统快速测试，输出信号的频率快慢可以通过“加/减”按键设置。

手动模式：当OLED显示“MANL”时表示进入了手动工作模式，同样的由“启动/停止”按键控制启停，启动后由按键“加”增加步数，由按键“减”减少步数，并直接由端口输出。可以实现对某一特定步数的状态进行检测。

蓝牙模式：可以通过智能终端，控制发生器的工作状态和参数，适用于单人远距离测试操作，只需要将发生器插入到被测设备的输入端口后，即可通过智能终端上的操作实现自动工作和手动工作的功能测试。

便携式智能格雷码发生器整体设计与以往发生器相比较，有效的减少了体积，同时不需要外部电源供电，因此可以作为一个便携式仪器使用。在自动工作模式时，由于采用了单片机软件算法，因此可以有更高分辨率的速度输出，相比较之前只有3档的输出有了很高的提升。核电的棒位检测系统与显示系统在相距较远的位置式，可以采用蓝牙模式，通过智能终端控制格雷码信号的输出，便工作人员测试使用。

参考文献：

[1]凌 奇，杨海波 . 数字棒位显示系统探测器缺陷分析及改进[J]. 发电设备， 2016， 30（1）： 46-49.

[2]廖度玲，贺宝珉;KY50—728型控制棒位置指示系统的研制[J];核电子学与探测技术;1992年02期