摘要：在基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的反應堆控制保護系統(tǒng)設計中，針對各種電子設備的電磁干擾，通過在硬件設計中采用信號隔離、消噪、消激和閾值調(diào)節(jié)電路等抗干擾措施，并利用軟件提高抗干擾能力，實現(xiàn)了電磁兼容性設計，為反應堆控制保護系統(tǒng)提供了較強的抗電磁干擾能力，確保了反應堆的安全、可靠和穩(wěn)定運行。

1 引言

電磁兼容性是指電子設備所具有的抑制外部電磁干擾的能力，同時該設備產(chǎn)生的電磁干擾應低于規(guī)定的限度，不能影響同一電磁環(huán)境中其他電子設備的正常工作。隨著電子設備的日益普及，電磁干擾日益嚴重，電磁兼容性的設計變得更加重要。電磁兼容性設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，設計中要參照實際電磁環(huán)境提出具體要求，進而提出解決的技術(shù)措施。

反應堆控制保護系統(tǒng)所涉及的電子設備種類繁多，內(nèi)部電路復雜，包括數(shù)字信號處理系統(tǒng)、輸入／{畬出通道、數(shù)字顯示裝置、接口電路、驅(qū)動電路、控制模塊及穩(wěn)壓電源等，是模擬與數(shù)字電路并存、硬件與軟件相結(jié)合的統(tǒng)一體。電子設備的電磁干擾不僅不同程度地影響反應堆安全重要設備和系統(tǒng)的功能，而且還可能對反應堆的安全運行造成威脅。為了提高控制保護系統(tǒng)的可靠性，必須有效抑制各種電磁干擾、優(yōu)化電路設計和軟件設計，保證反應堆安全可靠運行。本文針對基
于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的反應堆控制保護系統(tǒng)，提出了電磁兼容性的設計與實現(xiàn)方法，以保證系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。

2 電磁干擾的成因

2．1 電網(wǎng)干擾

反應堆控制保護系統(tǒng)采用交流供電，電網(wǎng)質(zhì)量直接影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。電網(wǎng)干擾包括浪涌電壓和電磁干擾。系統(tǒng)工作現(xiàn)場的大功率電氣設備在啟動或停止時，會產(chǎn)生幾百伏、甚至上千伏的浪涌電壓并伴有火花干擾。

2．2 傳輸線干擾

傳輸線干擾是在輸入、輸出線上形成的干擾。對于反應堆系統(tǒng)，從傳感器、探測器傳輸?shù)母鞣N模擬信號有十多條，從控制臺、控制柜傳輸?shù)拈_關(guān)量信號有幾十個，傳輸線長度達幾十米至上百米。這就很容易將工作現(xiàn)場的干擾引入系統(tǒng)中。

2．3 機內(nèi)干擾

任何～臺正在工作的儀器，其本身就是一個干擾源，干擾信號包括由繼電器產(chǎn)生的火花放電干擾、自激振蕩、尖峰干擾、噪聲電壓等。

3 硬件設計中采用的抗干擾措施

3．1 隔離技術(shù)

在控制保護系統(tǒng)設計中，基于FPGA的每套儀器(包括安全保護系統(tǒng)、脈沖棒控制系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、定標保護儀、密碼權(quán)限單元)都是以FPGA為核心的可編程片上系統(tǒng)(SOPC)嵌入式系統(tǒng)，要接收來自控制臺或者從其他儀器傳輸過來的開關(guān)量輸入信號，以及從傳感器傳輸來的模擬信號和脈沖信號，同時又要輸出重要的控制信號到相關(guān)儀器儀表或遠程設備作為信號源。

為了避免噪聲隨著信號一起傳輸進入儀器內(nèi)部，每套儀器采用直流值流電源變換器將電源隔離，并在信號輸入、輸出通道中采用光耦合器，使開關(guān)量信號與FPGA的輸入／輸出信號隔離，不受電磁干擾的影響。圖1為信號隔離電路。

3．2 消噪電路

在信號輸入端并聯(lián)一個0．1 laF的消噪電容，可以濾除高頻噪聲。

在電路設計中，用到了大量的數(shù)字儀表控制設備，而每個數(shù)字儀表控制設備本身都是一個脈沖干擾源，會通過電源線相互干擾。解決辦法是采用去耦旁路措施，即在印制板電源進線端并聯(lián)一個10 I_tF／35 V的鉭電容進行電源退耦，同時在每個芯片的電源進線端再并聯(lián)一個0．1蝦的高頻、低分布電感的陶瓷電容。

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電路中選用了噪聲容限最高的互補金屬氧化物半導體(CMOS)集成電路、低噪聲的金屬膜電阻以及鉭電容。

對于電路中運用的運算放大器和交／直流轉(zhuǎn)換器，其速度越高，越容易受電磁干擾的影響。由于設計時對速度要求不高，采用了非高速運算放大器和交／直流轉(zhuǎn)換器，以降低受干擾影響的程度。

3．3 自激的消除

3．3．1 自激產(chǎn)生的原因?qū)τ谝肓素摲答伒姆糯箅娐?，其輸入寄生電?包括運算放大器的輸入電容和布線分布電容)與反饋電阻將組成一個滯后網(wǎng)絡，引起輸出電壓相位滯后。當輸入信號頻率很高時，寄生電容的旁路作用使放大器的高頻響應變差，從而影響電路的穩(wěn)定性。

此外，在放大電路輸出端存在輸出負載電容(包括寄生電容)，與輸出電阻共同造成附加相移，這個附加相移的累加可能產(chǎn)生寄生振蕩，使放大器工作極不穩(wěn)定。

基于以上2種因素，在沒有輸入信號進入放大電路時，放大器卻有輸出信號，這就表明系統(tǒng)產(chǎn)生了自激，必須消除。

3．3．2補償措施
在圖2所示的放大器電路設計中，通過在負反饋回路的電阻上并接補償電容C66，與輸入電阻一起補償附加的滯后相位，可以有效消除寄生振蕩川。同時，在放大電路輸出端串聯(lián)一個電阻R159，使負載電容與放大電路相隔離。通過采用適當?shù)难a償方法，解決了自激振蕩問題。

3．4建立比較器的外部滯回電壓
在基于FPGA的控制保護系統(tǒng)設計中，安全保護系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、脈沖棒控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)內(nèi)部都含有閾值調(diào)節(jié)電路，對輸入的信號進行甄別，實現(xiàn)相應的定值保護、定值報警以及控制。而外部輸入的模擬信號中可能夾雜噪聲和干擾，使比較器在閾值附近出現(xiàn)重復翻轉(zhuǎn)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，抗干擾能力差。在實際設計中，采用集成放大器芯片構(gòu)成遲滯比較器。

在圖3中，電阻R150、KWl、R152將輸出電壓的一部分反饋到比較器的同相輸入端，建立比較器的外部滯回電壓，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)閾值。由于上、下門限電乎不重合，在識別高低電平時有較強的抗干擾能力。

4 利用軟件提高抗干擾能力

4．1 消除機械按鍵引起的抖動

在基于FPGA的控制保護系統(tǒng)設計中，每種子系統(tǒng)都有手動控制的按鈕、按鍵。在操作時，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或開啟的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動，使得輸入信號中存在噪聲，如果不進行消抖處理，系統(tǒng)可能
將這些噪聲作為輸入信號采集進來，從而導致系統(tǒng)誤動作。

在控制保護系統(tǒng)設計中，采用FPGA設計了彈跳消除電路(圖4)。通過設計一個計數(shù)器，將按鍵使能信號key_pressed作為計數(shù)器的重置輸入key_pressed=0時，計數(shù)器開始對采樣脈沖計數(shù)。只有在采樣時間內(nèi)（此處設置為10ms)連續(xù)計數(shù)達到足夠次數(shù)時認為按鍵按下（即key_pressed=0）有效，否則視為無效，計數(shù)器置0，重新對按鍵使能信號key_pressed進行采集、識別。這樣就可以將短時間內(nèi)key_pressed=0的情況濾除掉，避免按鍵按下時產(chǎn)生的抖動效
應被系統(tǒng)采集，造成系統(tǒng)誤動作。

4．2 濾波技術(shù)

工作現(xiàn)場存在空調(diào)、電焊、電鉆等大功率干擾源。這些設備的啟動或停止瞬間，會產(chǎn)生浪涌電壓并伴有火花干擾，通過電源線進入設備。這些干擾僅靠電容無法消除。因此，在抗干擾設計中，使用了FPGA構(gòu)建數(shù)字濾波電路的方法。

在基于FPGA的控制保護系統(tǒng)中，對輸入開關(guān)量信號的響應時間要求不高，采用了與前述彈跳消除電路相似的設計方法。設計一個計數(shù)器，目的是避免尖峰干擾效應使輸入信號signal_in發(fā)生不必要的變化，而造成重復統(tǒng)計輸入信號次數(shù)的結(jié)果。因此，將signal_in作為計數(shù)器的重置輸入，在有輸入信號(即signal_in=1)時，對采樣脈沖開始計數(shù)；只有在采樣時間內(nèi)(此處設置為1μs)連續(xù)計數(shù)達到足夠次數(shù)時認為信號有效，否則視為無效。針對不同的尖峰干擾，可以設置不同的采樣時間，這樣就可以將signal_in在短時間內(nèi)變?yōu)閘的情況濾除掉，從而消除不穩(wěn)定的尖峰干擾。

輸入信號signal_in上的尖峰干擾經(jīng)過濾波后，得到了干凈的輸出信號signal_out，證實了加入濾波的數(shù)字電路可以有效提高系統(tǒng)的抗干擾性能，只有真實的輸入信號才能對設備產(chǎn)生影響。

但是，經(jīng)過濾波后的信號響應時間比較長。如果系統(tǒng)對信號響應時間要求很高，這種軟件濾波的方法不再適用，這時采用底盤安裝插頭集成有電源濾波器的地線扼流圈FN329，可以有效減弱干擾源在電源3條線上的干擾，提高設備的抗干擾性能。

5 結(jié)論

電磁兼容性設計是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要指標。參照實際的電磁環(huán)境，采用了隔離、消噪、退耦、消除自激振蕩、建立遲滯回路、濾波等軟硬件相結(jié)合的技術(shù)途徑，選擇了噪聲容限高的電子器件，在不同程度上對不同的電磁干擾進行削弱，使基于FPGA的反應堆控制保護系統(tǒng)的抗干擾能力得到了較大提高，有利于保證反應堆的穩(wěn)定可靠運行。