陳素穎，戰(zhàn)明川，龍鋒利，葉衛(wèi)東

（1．中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；2．北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

北京正負電子對撞機（BEPCⅡ）有近500套磁鐵電源，需要一套快速檢測系統(tǒng)（以下稱檢測系統(tǒng)），以便快速查找磁鐵電源引起加速器束流的不穩(wěn)定因素和分析丟束的原因。加速器磁鐵電源是為加速器各類型電磁鐵供電的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)磁鐵電源的電流，可改變磁鐵的電磁場，從而控制粒子運動的軌道。由于BEPCⅡ電源設(shè)備數(shù)量較大，位置亦較分散，因此，檢測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個本地單元能獨立運行，同時也可作為移動平臺，用于其他系統(tǒng)或設(shè)備的測試。目前，BEPCⅡ正在使用的磁鐵電源檢測系統(tǒng)［1］由具有8通道輸入端的ADS1210數(shù)據(jù)采集集成電路與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制電路構(gòu)成。該系統(tǒng)中的單片機通過CAN網(wǎng)絡(luò)接受PC機發(fā)送的指令，以進行選通通道和將采集數(shù)據(jù)傳送至PC機。雖然ADS1210的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換速度快，但受系統(tǒng)工作方式的限制，每通道采樣率小于1Hz，所有電源檢測一遍需5min，無法滿足對儲存環(huán)電源進行長期、快速的在線測量和實時檢測的要求。在加速器運行過程中，一旦出現(xiàn)不明原因的丟束，則無法捕捉到因電源引起的瞬間跳變。因此，本文建立磁鐵電源電流值的快速檢測系統(tǒng)，將所有通道的回采數(shù)據(jù)實時寫入數(shù)據(jù)庫，從而有利于進行后期數(shù)據(jù)分析，確認磁鐵電源電流值是否存在電流值跳變問題。

1 快速檢測系統(tǒng)

1．1 快速檢測系統(tǒng)原理

BEPCⅡ磁鐵電源控制系統(tǒng)承擔著控制電源開關(guān)機、調(diào)節(jié)及監(jiān)測參量變化的任務(wù)，由于該系統(tǒng)采樣率較低，捕捉不到磁鐵電源電流的瞬間跳變，因此本工作研制BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)來快速查找磁鐵電源引起的束流不穩(wěn)定因素。BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括電流傳感器、隔離放大器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、PXI控制器等部分，每個PXI系統(tǒng)均可作為服務(wù)器與客戶端進行數(shù)據(jù)交換，軟件采用Labview和SQL語言編寫。由于本工作研究的磁鐵電源電流穩(wěn)定度較高，根據(jù)傳感器的類型及磁鐵電源的輸出電流，選用穩(wěn)定度達2ppm的Hitec高精度傳感器［2］，通過檢測系統(tǒng)快速檢測電源傳感器輸出的電壓信號，并與中央控制室送給磁鐵電源的給定信號對比，以分析磁鐵電源的工作狀況和判斷束流丟失的原因。

圖1 磁鐵電源檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．2 快速檢測系統(tǒng)技術(shù)指標

檢測系統(tǒng)最小分辨率為18bit；最大采樣率為500kHz；信號通道數(shù)為497；8h穩(wěn)定度≤0．005%；非線性度≤0．01%；采樣范圍≤±10V。

由于磁鐵電源所處的位置較分散，為減少長線傳輸造成的干擾，采用5套PXI［3］系統(tǒng)同時進行檢測，系統(tǒng)在BEPCⅡ運行期間最快可在0．33ms內(nèi)采集一遍所有的磁鐵電源電流值，可迅速排查電源穩(wěn)定度問題。

2 快速檢測系統(tǒng)程序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理

2．1 快速檢測系統(tǒng)程序設(shè)計

程序流程圖如圖2所示。前端采集以每通道1Hz的速率不間斷檢測所有磁鐵電源的電流穩(wěn)定度。根據(jù)實時顯示的電源電流穩(wěn)定度和束流的狀況判斷電源是否存在問題，再對其進行每通道30Hz的快速采集，采集過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)通過TCP／IP傳輸至中央控制室客戶端計算機，TCP包括如下函數(shù)節(jié)點：Connec－tion函數(shù)，用于建立客戶機和服務(wù)器之間通訊的連接；Transmission函數(shù)，用于在客戶機和服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)；Conversion函數(shù)，用于計算機IP地址和計算機名稱之間的切換。TCP函數(shù)節(jié)點工作過程如圖3所示。

圖2 磁鐵電源檢測系統(tǒng)流程圖

圖3 TCP函數(shù)節(jié)點工作過程

在中央控制室計算機與5個前端PXI子站的通訊中，設(shè)定PXI端為服務(wù)器端，中央控制室端為客戶端。運行時服務(wù)器端不斷偵聽，當有客戶端連接時則建立連接［4］，然后收取和發(fā)送數(shù)據(jù)形成通訊，客戶端程序運行后與服務(wù)器端進行試探連接，若未連接上，程序則重復(fù)連接或報超時，若連接上，則進行收發(fā)數(shù)據(jù)處理。

2．2 快速檢測系統(tǒng)程序數(shù)值傳遞方式

Labview編寫的程序中，數(shù)據(jù)傳遞的方式分為直接數(shù)據(jù)流、本地變量和屬性節(jié)點，直接數(shù)據(jù)流傳遞速度最快，本地變量或?qū)傩怨?jié)點的方式無需與程序前面板的控制器／指示器直接連線就可用來傳遞控制器／指示器中的數(shù)值。3種數(shù)據(jù)傳遞方式雖均可傳遞數(shù)值，但工作方式不同，建立本地變量是對控制器／指示器中的數(shù)據(jù)進行復(fù)制，因此占用內(nèi)存，當為數(shù)組建立多個本地變量時，會占用大量的內(nèi)存。屬性節(jié)點進行讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)時是對控制器／指示器中的數(shù)據(jù)進行查詢或置入，不會占用內(nèi)存。由于本地變量是對內(nèi)存操作，所以運行速度很快。相對于本地變量，屬性節(jié)點的效率很低，更占用CPU的資源。在快速檢測系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)中盡可能地使用直接數(shù)據(jù)流，減少使用屬性節(jié)點，可使系統(tǒng)運行的響應(yīng)速度更快。

2．3 快速檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

MySQL是一開放源碼的小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)［5］，具備體積小、速度快的優(yōu)點，支持多線程，充分利用CPU資源，支持大型的數(shù)據(jù)庫，可處理擁有上千萬條記錄的大型數(shù)據(jù)庫。MySQL既能作為一個單獨的應(yīng)用程序應(yīng)用在客戶端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，也能作為一個庫而嵌入到其他的軟件中。本文對MySQL進行如下優(yōu)化。

1）Datatime為8字節(jié)，與時區(qū)無關(guān)，缺省值是NULL，而Timestamp為4字節(jié)，與時區(qū)有關(guān)，缺省插入值是當前時間。

2）MySQL用于處理連接和釋放連接的效率較高。因此，編寫查詢程序時將復(fù)雜的查詢分成多個簡單的查詢，然后在應(yīng)用層將這些小查詢連接起來，效率會很高。

磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時通過TCP／IP將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制室MySQL數(shù)據(jù)庫，中央控制室可隨時查詢歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫查詢的界面是以時間軸為橫軸的圖表（圖4），其能直觀地顯示磁鐵電源的歷史趨勢，同時可將查詢結(jié)果導(dǎo)出至Excel文件。

圖4 中央控制室數(shù)據(jù)庫查詢界面

根據(jù)電源電流設(shè)定值與實際工作電流值間的一致性來判斷電源的準確度，若誤差超出一定范圍就要進行電源電流系數(shù)校正。

3 快速檢測系統(tǒng)的文件存儲

在網(wǎng)絡(luò)不通或數(shù)據(jù)不需寫入數(shù)據(jù)庫的情況下，需要檢測系統(tǒng)本地存儲采集數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)要求文件存儲速度達30kB／s。與Excel文件格式存儲相比，采用TDMS文件格式可取得更好的效果。TDMS文件是一種二進制記錄文件，其邏輯結(jié)構(gòu)分為3層：文件、通道組和通道，每一層次上均可附加特定的屬性。TDMS內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心是segment，當數(shù)據(jù)被寫入segment中時，實際上是新建了segment。各segment中包含幾個記錄信息的數(shù)據(jù)段。這種物理結(jié)構(gòu)決定了TDMS文件的隨機存取特性，當程序僅讀取其中1個數(shù)據(jù)段時，可直接獲得該數(shù)據(jù)段信息而不必調(diào)用其他數(shù)據(jù)段的信息，這保證了TDMS文件的高速存取，TDMS在磁盤陣列的高速流盤應(yīng)用中實際存取速度達372MB／s?？紤]到BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)長期運行的過程中會持續(xù)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，采集軟件設(shè)計為數(shù)據(jù)每天自動新存一個當天日期為文件名的TDMS文件，避免單個文件過大。

4 對干擾采取的措施

為使BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)能精確地采集與處理數(shù)據(jù)，必須考慮各種干擾對系統(tǒng)的影響。檢測系統(tǒng)的工作現(xiàn)場較為惡劣，摻雜著各種來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾，當被測信號較微弱時，會導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)采集與處理誤差。檢測系統(tǒng)在實測電源電流時會出現(xiàn)較大幅度的共模干擾（圖5）。采用各種軟件濾波的方法，效果均不明顯，也無法滿足設(shè)計指標。通過分析大量測試數(shù)據(jù)表明，檢測系統(tǒng)極可能是從地線引入共模干擾，將輸入信號電纜屏蔽層連接檢測系統(tǒng)接線端子的接地片，取得了顯著的效果，實測電源穩(wěn)定度均優(yōu)于萬分之一。測試結(jié)果如圖6所示。

圖5 磁鐵電源輸出檢測中存在的共模干擾

圖6 排除干擾后磁鐵電源輸出電流檢測

本文用高精度穩(wěn)流電源作為信號源對檢測系統(tǒng)進行線性度測試，測試結(jié)果列于表1。

表1 檢測系統(tǒng)線性度測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文研制的磁鐵電源快速檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)500kHz的采樣率，能快速準確地發(fā)現(xiàn)磁鐵電源輸出電流值的瞬間跳變，成為BEPCⅡ運行排查故障的有力手段，且優(yōu)化了采集程序及數(shù)據(jù)庫，使大量的采集數(shù)據(jù)得以迅速傳輸和存儲。本文開發(fā)的數(shù)據(jù)庫查詢界面以時間軸曲線顯示，可直觀地判斷束流不穩(wěn)定或丟束是否因磁鐵電源電流穩(wěn)定度問題引起。

［1］ 龍鋒利，張旌，陳斌，等．高精度穩(wěn)流電源的網(wǎng)絡(luò)化檢測系統(tǒng)［J］．原子能科學(xué)技術(shù)，2006，40（2）：249－251．LONG Fengli，ZHANG Jing，CHEN Bin，et al．Network measuring system for high precision stabilized current supply［J］．Atomic Energy Science and Technology，2006，40（2）：249－251（in Chinese）．

［2］ 豐偉偉，楊世文，南金瑞，等．LabVIEW中TDMS文件和SQL數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理速度的研究［J］．儀器儀表與分析監(jiān)測，2011（1）：10－12．

［3］ 朱軍．PXI規(guī)范與最新發(fā)展概覽［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（6）：20－21．

［4］ 畢虎，律方成，李燕青，等．Labview中訪問數(shù)據(jù)庫的幾種不同方法［J］．傳感器與儀器儀表，2006，22（1）：131－134．BI Hu，LV Fangcheng，LI Yanqing，et al．Several methods of accessing database in Labview［J］．Control ＆Automation，2006，22（1）：131－134（in Chinese）．

［5］ 王小東．高性能MySQL［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．