基于耐辐射FPGA的核应急机器人控制系统设计.pdf

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1、自动化DOI：10．3969／j．issn．1009-9492．2012．05．007基于耐辐射FPGA的核应急机器人控制系统设计王希涛(中国辐射防护研究院，山西太原030006)摘要：研究了一种核应急机器人控制系统设计方案。该方案基于耐辐射FPGA，重点描述了控制系统电路的耐辐射设计。关键词：耐辐射；FPGA；核应急；机器人；控制系统中图分类号：TP242-3文献标识码：A文章编号：1009—9492(2012)05—0026—05ControlSystemDesignoftheNuclearEmergencyRobotBasedonRadiati0n—TolerantFPG

2、AsWANGXi-tao(ChinaInstituteforRadiationProtection，Taiyuan030006，china)Abstract：Designatypeofcontrolsystemfornuclearemergencyrobot．ThedesignisbasedonRadiation—TolerantFPGAs，andtheRadiation-Tolerantdesignofthecircuitisdescribedindetail．Keywords：Radiation-Tolerant；FPGA；nuclearemergency；robot；co

3、ntrolsystemO引言重”问题，是一种辐射加固优化方案。在核事故造成的强辐射环境中，核应急机器控制单元的CPU选择合适的耐辐射芯片是该人应具备极强的耐辐射能力，其控制系统所用电方案的关键，采用“耐辐射FPGA”是一种可行方子元器件的耐辐射能力往往成为瓶颈。核应急机案，它有如下优势：器人若采用普通电子元器件，必须采取各种辐射(1)耐辐射FPGA是元器件级的耐辐射芯防护措施(如采用耐辐射性能相对较强的中小规片，不必担心辐射问题，不用采取冗余耐辐射措模集成芯片、将整块电路板蒙皮屏蔽)来克服普施；通电子元器件耐辐射能力弱的缺点，但机器人却(2)FPGA(Field—Program

4、mableGateArray因此造成大量无用质量(称为死重)，同时削弱了现场可编程门阵列)属于大规模、高密度集成电系统的控制功能。路，可以实现核应急机器人复杂、精确的控制功为有效解决上述问题，本文设计了基于耐辐能；射FPGA的核应急机器人控制系统。(3)FPGA是一种半定制的ASIC(专用集成1总体设计电路)，与采用普通单片机相比，可显著提高系统1．1耐辐射设计集成度、可靠性，且速度大大提高，与采用耐辐“打铁还需自身硬”，在强辐射环境工作的核射ASIC相比，虽然速度稍慢点，但成本低，灵活应急机器人控制单元采用元器件级的耐辐射芯性高。片，对于耐辐射能力相对较弱的部分，通过精细长期

5、以来，生产耐辐射FPGA的厂家(如美理论计算和实验验证，局部屏蔽取代整体屏蔽，国Microsemi公司)一直效力于美国军工和航空领将从根本上解决核应急机器人控制系统的“死域，并禁止对外出售。目前Microsemi开始逐渐转收稿日期：2011—12—05工业自动向民用和商用，国内采购耐辐射FPGA的难度和乱，严重时会发生灾难性事故。SEU造成的逻辑成本大大降低，上海中科院物理研究所承担的错误不是永久性的，也被称为软错误。最容易发“嫦娥1号”项目中就使用了耐辐射FPGA。生SEU的是像RAM这种利用双稳态进行存储的器1-2系统配置件，其次是CPU，再其次是其它的接口电路。随由图1所

6、示，系统主要分为5部分：基于耐辐着芯片集成度的增加，发生SEU错误的可能性也射FPGA的控制单元、机器人本体、传感器、通在增大。讯与电源和便携式操作箱。(2)SEL(SingleEventLatch单粒子闩锁)、1．3设计目标SES(SingleEventSnapback单粒子快反向)。对于核应急机器人可靠性与功能设计，坚持“可靠性第通讯与供电一、功能够用”的原则。有缆方式对于在强辐射环境中工作无缆方式(无缝传输数据，视额和音频信号．≤IoDm；锂电池供电，≤4h)的控制单元，在满足功能要求的情况下，应尽可能简化电路机器人本体jl设计，采用成熟电路技术可更换式机械手基于耐辐射F

7、PGA(如在较强辐射环境下工作的核异、切割锯辞)0～z／的控制单元、，力反馈式多轴机械臂仪器电路)，以提高系统可靠(5个自由鹰t太臂x与Z轴转动、小臂(采用M~cmIemI~RTAX250SL)性，并降低成本。(2个x履轴自转由带动度、；式手前移腕进x后与动退Y轴、平转左动台右)转向)冀对于便携式操作箱，因其便携式操作箱不在强辐射环境下工作，不必触摸画面采用昂贵的耐辐射器件，同时蒜湿度，历史记录和报警等信息)因不需采取辐射防护措施，没操作手柄和开关有过高的尺寸要求，可以采用(可是活的操作机器