基于FPGA的反应堆控制保护系统的设计

摘要：在基于现场可编程门阵列(FPGA)的反应堆控制保护系统设计中，针对各种电子设备的电磁干扰，通过在硬件设计中采用信号隔离、消噪、消激和阈值调节电路等抗干扰措施，并利用软件提高抗干扰能力，实现了电磁兼容性设计，为反应堆控制保护系统提供了较强的抗电磁干扰能力，确保了反应堆的安全、可靠和稳定运行。

1 引言

电磁兼容性是指电子设备所具有的抑制外部电磁干扰的能力，同时该设备产生的电磁干扰应低于规定的限度，不能影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。随着电子设备的日益普及，电磁干扰日益严重，电磁兼容性的设计变得更加重要。电磁兼容性设计是一项复杂的系统工程，设计中要参照实际电磁环境提出具体要求，进而提出解决的技术措施。

反应堆控制保护系统所涉及的电子设备种类繁多，内部电路复杂，包括数字信号处理系统、输入／{畲出通道、数字显示装置、接口电路、驱动电路、控制模块及稳压电源等，是模拟与数字电路并存、硬件与软件相结合的统一体。电子设备的电磁干扰不仅不同程度地影响反应堆安全重要设备和系统的功能，而且还可能对反应堆的安全运行造成威胁。为了提高控制保护系统的可靠性，必须有效抑制各种电磁干扰、优化电路设计和软件设计，保证反应堆安全可靠运行。本文针对基
于现场可编程门阵列(FPGA)的反应堆控制保护系统，提出了电磁兼容性的设计与实现方法，以保证系统具有较强的抗干扰能力。

2 电磁干扰的成因

2．1 电网干扰

反应堆控制保护系统采用交流供电，电网质量直接影响系统工作的稳定性。电网干扰包括浪涌电压和电磁干扰。系统工作现场的大功率电气设备在启动或停止时，会产生几百伏、甚至上千伏的浪涌电压并伴有火花干扰。

2．2 传输线干扰

传输线干扰是在输入、输出线上形成的干扰。对于反应堆系统，从传感器、探测器传输的各种模拟信号有十多条，从控制台、控制柜传输的开关量信号有几十个，传输线长度达几十米至上百米。这就很容易将工作现场的干扰引入系统中。

2．3 机内干扰

任何～台正在工作的仪器，其本身就是一个干扰源，干扰信号包括由继电器产生的火花放电干扰、自激振荡、尖峰干扰、噪声电压等。

3 硬件设计中采用的抗干扰措施

3．1 隔离技术

在控制保护系统设计中，基于FPGA的每套仪器(包括安全保护系统、脉冲棒控制系统、报警系统、定标保护仪、密码权限单元)都是以FPGA为核心的可编程片上系统(SOPC)嵌入式系统，要接收来自控制台或者从其他仪器传输过来的开关量输入信号，以及从传感器传输来的模拟信号和脉冲信号，同时又要输出重要的控制信号到相关仪器仪表或远程设备作为信号源。

为了避免噪声随着信号一起传输进入仪器内部，每套仪器采用直流值流电源变换器将电源隔离，并在信号输入、输出通道中采用光耦合器，使开关量信号与FPGA的输入／输出信号隔离，不受电磁干扰的影响。图1为信号隔离电路。

3．2 消噪电路

在信号输入端并联一个0．1 laF的消噪电容，可以滤除高频噪声。

在电路设计中，用到了大量的数字仪表控制设备，而每个数字仪表控制设备本身都是一个脉冲干扰源，会通过电源线相互干扰。解决办法是采用去耦旁路措施，即在印制板电源进线端并联一个10 I_tF／35 V的钽电容进行电源退耦，同时在每个芯片的电源进线端再并联一个0．1虾的高频、低分布电感的陶瓷电容。

为了提高系统的抗干扰能力，电路中选用了噪声容限最高的互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路、低噪声的金属膜电阻以及钽电容。

对于电路中运用的运算放大器和交／直流转换器，其速度越高，越容易受电磁干扰的影响。由于设计时对速度要求不高，采用了非高速运算放大器和交／直流转换器，以降低受干扰影响的程度。

3．3 自激的消除

3．3．1 自激产生的原因对于引入了负反馈的放大电路，其输入寄生电容(包括运算放大器的输入电容和布线分布电容)与反馈电阻将组成一个滞后网络，引起输出电压相位滞后。当输入信号频率很高时，寄生电容的旁路作用使放大器的高频响应变差，从而影响电路的稳定性。