用于脈沖電源模塊的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 亞，田 慧，唐 波，堵文燦

（南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094）

0 引 言

脈沖電源模塊工作情況的好壞將直接影響系統(tǒng)的可靠性，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈沖電源模塊運(yùn)行狀態(tài)，高效管理脈沖電源模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是電源系統(tǒng)的基本運(yùn)行維護(hù)要求。李貞曉等學(xué)者［1］研制的一種緊湊型脈沖電源模塊使用示波器采集電壓、電流波形，由于使用的示波器的最高記錄長(zhǎng)度為10 M點(diǎn)數(shù)／通道，而脈沖電源模塊連發(fā)實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)采集時(shí)間大于30 s，依據(jù)記錄長(zhǎng)度＝采樣率×采集時(shí)間，因而采樣率只能設(shè)置相對(duì)較低，無(wú)法滿足放電瞬時(shí)的細(xì)節(jié)測(cè)量，并且所用示波器使用單次采集方式連續(xù)采集數(shù)10 s時(shí)，不能實(shí)時(shí)顯示出波形，而且也沒(méi)有數(shù)據(jù)管理功能。

本文采用程序開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，以高速數(shù)字采集儀為硬件核心，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集模塊，利用上位機(jī)大容量的內(nèi)存，以較高的采樣率采集和保存脈沖電源模塊實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的充、放電波形；運(yùn)用典型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，為后期脈沖電源日常維護(hù)和優(yōu)化管理提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該緊湊型脈沖電源模塊的充電時(shí)間約7 s，放電初始電壓為7kV，放電電流峰值為130kA，電流放電時(shí)間為14 ms。本文數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 脈沖電源模塊工作原理

脈沖電源模塊的電路原理如圖2 所示，I 為充電電源，S1為充電開(kāi)關(guān)，S2為泄放開(kāi)關(guān)，C為高壓儲(chǔ)能電容，T 為大功率晶閘管，D為續(xù)流二極管，L為調(diào)波電感，R1為泄放電阻，R2為保護(hù)電阻，RL為負(fù)載阻抗［2］。

圖2 脈沖電源模塊原理

脈沖電源模塊的工作過(guò)程可分為充電階段、放電階段和安全泄放階段。充電階段由充電回路執(zhí)行。充電回路由充電開(kāi)關(guān)S1、高壓儲(chǔ)能電容C和充電電源I組成，用于向電容器充電存儲(chǔ)能量。在充電階段，先斷開(kāi)泄放開(kāi)關(guān)S2，再閉合充電開(kāi)關(guān)S1，由直流充電機(jī)I向高壓儲(chǔ)能電容C充電，充電完成后斷開(kāi)S1，充電階段結(jié)束。放電階段由放電回路執(zhí)行。放電回路由高壓儲(chǔ)能電容C、大功率晶閘管T、調(diào)波電感器L、續(xù)流二極管D和保護(hù)電阻R2組成，實(shí)現(xiàn)向負(fù)載RL輸出所需要的驅(qū)動(dòng)電流。在放電階段，由總控系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)晶閘管T 閉合，放電回路導(dǎo)通，電容C 存儲(chǔ)的電能通過(guò)晶閘管T、調(diào)波電感器L向負(fù)載RL放電。調(diào)波電感器L僅在放電階段工作，起調(diào)節(jié)輸出電流波形的作用。當(dāng)電容器C放電完畢電壓為0 時(shí)，由于回路中電流發(fā)生變化，電感器L產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)與反向感應(yīng)電流，此時(shí)續(xù)流二極管D導(dǎo)通，阻止反向電流向電容器充電，起到保護(hù)電容器的作用。安全泄放階段由安全泄放回路執(zhí)行。安全泄放回路由泄放開(kāi)關(guān)S2，泄放電阻R1和電容器C 構(gòu)成。放電結(jié)束后閉合泄放開(kāi)關(guān)S2，電容器上的殘余電能經(jīng)由泄放電阻R1安全釋放至大地。安全泄放的作用有2 個(gè)：1）正常運(yùn)行時(shí)，在放電結(jié)束后將電容器上的殘余電能安全釋放；2）在緊急情況時(shí)，直接釋放電容器上儲(chǔ)存的電能，以保護(hù)人員、設(shè)備的安全。

2.2 高壓探針與脈沖電流互感器

本文系統(tǒng)高壓差分探針和脈沖電流互感器在脈沖電源模塊電路中的安裝位置如圖2 所示，電流互感器安裝在位置1，用于測(cè)量脈沖電源模塊輸出的放電電流；位置2 和位置3之間跨接高壓差分探針，用于測(cè)量?jī)?chǔ)能電容器充放電的電壓。

電流互感器由線圈和積分器組成［3，4］。電流互感器測(cè)量的最大峰值電流可達(dá)300 kA，峰值di／dt 為40 kA／μs，靈敏度為0.02 mV／A，頻率范圍為0.03 Hz ～16 MHz，精度可達(dá)0.2%。

高壓差分探針可安全準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)奢斎攵说母唠妷盒盘?hào)。系統(tǒng)采用有源差分探頭；帶寬為DC—100 MHz，上升時(shí)間可達(dá)到3.5 ns，精度可達(dá)到±1%。

2.3 光纖隔離儀

系統(tǒng)采用的DC光纖隔離儀［5］，精度為0.5%，模擬帶寬為0 ～40 MHz。

2.4 高速數(shù)字采集儀

采用一種基于USB 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋銛y式的8位高速數(shù)字采集儀，在雙同步采樣通道，采樣速率50 MS／s／ch，輸入范圍從40 mVpp 到40 Vpp。高速數(shù)字采集儀具有總線供電且即插即用的組成結(jié)構(gòu)，是便攜化、小型化等優(yōu)化指標(biāo)下較為理想的采集設(shè)備選擇。

緊湊型脈沖電源模塊僅需測(cè)量電壓和電流兩路數(shù)據(jù)，因此，高速數(shù)字采集儀的雙通道同步采樣即可滿足脈沖電源模塊的數(shù)據(jù)采集需求，還提供一個(gè)輸入輸出復(fù)用通道，可以提供觸發(fā)通道進(jìn)行采集系統(tǒng)的觸發(fā)控制。在滿足采集需求的同時(shí)，采用USB采集器，提高了系統(tǒng)的可移動(dòng)性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊［6，7］的工作流程如下：首先，配置采集參數(shù)。然后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，等待脈沖電源進(jìn)行充電和放電，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，在軟件界面上的波形圖表上實(shí)時(shí)顯示采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)波形，并在波形圖表右側(cè)以數(shù)字方式顯示當(dāng)前的電壓值和峰值電流。脈沖電源模塊放電結(jié)束后按下軟件界面的停止按鈕停止數(shù)據(jù)采集，保存充電和放電電壓、放電電流數(shù)據(jù)至本地，同時(shí)顯示本地文件的物理地址。最后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息保存至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.1.1 采集參數(shù)配置設(shè)計(jì)

緊湊型脈沖電源模塊放電為毫秒（ms）級(jí)的脈沖電流，其上升沿約200 μs，放電電壓波形下降沿約300 μs。為確保測(cè)量精度，信號(hào)上升時(shí)間與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率選取原則為：1）記錄長(zhǎng)度＝采樣率×采集時(shí)間；2）信號(hào)帶寬＝0.35／信號(hào)上升時(shí)間；3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的帶寬＝5 ×信號(hào)帶寬；4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率＝10×數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)帶寬。依據(jù)此原則計(jì)算出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率必須達(dá)到87.5 kS／s以上才能滿足脈沖電源模塊正常運(yùn)行時(shí)電壓和電流的采集要求。而當(dāng)脈沖電源模塊發(fā)生故障時(shí)，波形會(huì)變得不規(guī)則，含有豐富的高頻成分，要保證信號(hào)中高頻信息不丟失（信號(hào)漏失和畸變），則應(yīng)提高數(shù)據(jù)采樣率。

通過(guò)調(diào)用函數(shù)庫(kù)的函數(shù)，將除打開(kāi)和關(guān)閉外的函數(shù)體放置于循環(huán)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣與數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)展示。3.1.2 數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)可視化［8］功能將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)連接至波形圖表控件，將程序整體放入循環(huán)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)設(shè)定循環(huán)結(jié)構(gòu)的等待時(shí)間匹配所述采集儀的采樣率，使得程序每采集1個(gè)數(shù)據(jù)就將該數(shù)據(jù)傳入波形圖表控件進(jìn)行顯示，形成電壓和電流波形；電壓數(shù)據(jù)連接動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示控件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前充電電壓；同時(shí)將采集到的電流數(shù)據(jù)存入數(shù)組，通過(guò)調(diào)用最大值函讀取電流數(shù)組中的最大值并將其放入數(shù)據(jù)顯示控件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示峰值電流，從而實(shí)現(xiàn)展示充電和放電過(guò)程的電壓和電流數(shù)據(jù)功能。

3.1.3 數(shù)據(jù)保存設(shè)計(jì)

為明確保存路徑，程序?qū)@取到的Time Stamp 類(lèi)型的系統(tǒng)時(shí)間轉(zhuǎn)換成字符串，以分離出日期和時(shí)間字符作為文件名，實(shí)現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)時(shí)間命名采集的電壓和電流數(shù)據(jù)。程序通過(guò)查找文件夾中是否存在相應(yīng)的時(shí)間.txt 文件，如存在則將數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的電壓或電流文件中，如不存在則新建.txt文件并將數(shù)據(jù)保存至其中。同時(shí)將數(shù)據(jù)保存至本地的物理地址顯示在軟件界面上，方便操作人員查找。數(shù)據(jù)保存的程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)保存程序流程

本文軟件采用.txt格式可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速讀取和便捷的數(shù)據(jù)交換，以及可以存儲(chǔ)大容量的采集數(shù)據(jù)。程序通過(guò)調(diào)用波形文件IO函數(shù)庫(kù)中的保存波形函數(shù)，設(shè)置添加至已有文件為T(mén)，設(shè)置是否保存抬頭信息為F，將采集到的動(dòng)態(tài)波形數(shù)據(jù)保存成.txt文件。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)

該軟件采用ODBC方式連接程序開(kāi)發(fā)軟件和典型數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用開(kāi)發(fā)軟件自帶的函數(shù)進(jìn)行編程。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息管理設(shè)計(jì)

脈沖電源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息需要在每次數(shù)據(jù)采集后自動(dòng)保存至相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)次數(shù)計(jì)數(shù)，便于操作員掌握脈沖電源的使用次數(shù)。首先，在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立experiment_voltage表和experiment_current表，用于存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩張表均包括實(shí)驗(yàn)編號(hào)、實(shí)驗(yàn)日期、備注等項(xiàng)目。連接開(kāi)發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，使得每次采集工作完成之后在experiment_data表中自動(dòng)插入此次實(shí)驗(yàn)電壓和電流數(shù)據(jù)記錄。

保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息更新，滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)信息添加詳細(xì)說(shuō)明，進(jìn)行故障標(biāo)注等操作需求。通過(guò)對(duì)輸入的實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行索引，程序捕捉到更新信息的操作發(fā)生后，將輸入的備注信息添加至與輸入的實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)的備注欄中。實(shí)驗(yàn)的電壓數(shù)據(jù)信息和電流數(shù)據(jù)信息為兩張表，可獨(dú)立管理互不干擾。3.2.2 實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)脈沖電源的實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)的建立，首先需要建立程序開(kāi)發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)中錯(cuò)誤信息表的連接，表中包含故障編號(hào)、故障類(lèi)型、故障描述、故障元器件、解決方法等項(xiàng)目。通過(guò)捕捉插入故障事件的發(fā)生，將故障信息錄入至數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)的建立。

根據(jù)操作員的經(jīng)驗(yàn)信息和實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的故障，在實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)界面輸入故障編號(hào)、故障類(lèi)型、故障描述、故障元器件、解決方法等信息，點(diǎn)擊插入故障按鍵后即可將實(shí)驗(yàn)故障錄入至數(shù)據(jù)庫(kù)，并即時(shí)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)展示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

本文系統(tǒng)采集儀設(shè)置最小采樣率為2 MS／s，最小記錄長(zhǎng)度為1 000，偏移量為0；觸發(fā)通道選擇通道0，上邊沿觸發(fā)，其余設(shè)置保持默認(rèn)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文數(shù)據(jù)采集功能能夠?qū)崟r(shí)顯示電流和電壓數(shù)據(jù)，采集結(jié)束后數(shù)據(jù)保存在以.txt為后綴的本地波形文件中，數(shù)據(jù)采集功能有效。

由圖4可知，數(shù)據(jù)采集模塊可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采樣，完整記錄十幾秒鐘的脈沖電源模塊充放電波形，同時(shí)能滿足毫秒級(jí)脈沖電流放電的采集精度要求。

圖4 數(shù)據(jù)波形

4.2 數(shù)據(jù)管理實(shí)驗(yàn)

每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，將同步更新至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行備注。對(duì)于實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)，可成功錄入并顯示脈沖電源故障信息。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文軟件數(shù)據(jù)管理功能有效。

5 結(jié) 論

1）以高速數(shù)字采集儀作為采集設(shè)備，雙通道同步采樣下輸入輸出接口較少，數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)2 MS／s，滿足毫秒級(jí)脈沖電流采樣需求的同時(shí)減小了采集系統(tǒng)的硬件體積，方便連接，提升了便攜性。

2）數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)仿真軟件底層函數(shù)架構(gòu)，集采集功能與可視化功能于一體，采集無(wú)記錄長(zhǎng)度限制，提高采樣精度的同時(shí)可實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)波形，無(wú)需導(dǎo)入第三方軟件進(jìn)行分析查看，可清晰直觀地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行后期維護(hù)。

3）數(shù)據(jù)管理模塊通過(guò)ODBC方式連接數(shù)據(jù)庫(kù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息同步上傳至實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，便于統(tǒng)一管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息；同時(shí)建立實(shí)驗(yàn)故障知識(shí)文庫(kù)，便于查看故障信息與解決方法；軟件支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪改查等操作，提高了系統(tǒng)的功能集成性。