張 亞，田 慧，唐 波，堵文燦

（南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，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，實時監(jiān)測脈沖電源模塊運行狀態(tài)，高效管理脈沖電源模塊實驗數(shù)據(jù)，是電源系統(tǒng)的基本運行維護要求。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度為10 M點數(shù)／通道，而脈沖電源模塊連發(fā)實驗要求的數(shù)據(jù)采集時間大于30 s，依據(jù)記錄長度＝采樣率×采集時間，因而采樣率只能設(shè)置相對較低，無法滿足放電瞬時的細節(jié)測量，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，不能實時顯示出波形，而且也沒有數(shù)據(jù)管理功能。

本文采用程序開發(fā)軟件平臺，以高速數(shù)字采集儀為硬件核心，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集模塊，利用上位機大容量的內(nèi)存，以較高的采樣率采集和保存脈沖電源模塊實驗全過程的充、放電波形；運用典型數(shù)據(jù)庫設(shè)計了數(shù)據(jù)管理模塊對實驗數(shù)據(jù)進行管理，為后期脈沖電源日常維護和優(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

該緊湊型脈沖電源模塊的充電時間約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為充電開關(guān)，S2為泄放開關(guān)，C為高壓儲能電容，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為保護電阻，RL為負載阻抗［2］。

圖2 脈沖電源模塊原理

脈沖電源模塊的工作過程可分為充電階段、放電階段和安全泄放階段。充電階段由充電回路執(zhí)行。充電回路由充電開關(guān)S1、高壓儲能電容C和充電電源I組成，用于向電容器充電存儲能量。在充電階段，先斷開泄放開關(guān)S2，再閉合充電開關(guān)S1，由直流充電機I向高壓儲能電容C充電，充電完成后斷開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和保護電阻R2組成，實現(xiàn)向負載RL輸出所需要的驅(qū)動電流。在放電階段，由總控系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)晶閘管T 閉合，放電回路導(dǎo)通，電容C 存儲的電能通過晶閘管T、調(diào)波電感器L向負載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，由于回路中電流發(fā)生變化，電感器L產(chǎn)生感應(yīng)磁場與反向感應(yīng)電流，此時續(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：1）正常運行時，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，直接釋放電容器上儲存的電能，以保護人員、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，用于測量儲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］。電流互感器測量的最大峰值電流可達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0.2%。

高壓差分探針可安全準確地測量兩輸入端的高電壓信號。系統(tǒng)采用有源差分探頭；帶寬為DC—100 MHz，上升時間可達到3.5 ns，精度可達到±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，還提供一個輸入輸出復(fù)用通道，可以提供觸發(fā)通道進行采集系統(tǒng)的觸發(fā)控制。在滿足采集需求的同時，采用USB采集器，提高了系統(tǒng)的可移動性。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

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，啟動數(shù)據(jù)采集，等待脈沖電源進行充電和放電，同時進行數(shù)據(jù)可視化，在軟件界面上的波形圖表上實時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，同時顯示本地文件的物理地址。最后，將實驗數(shù)據(jù)信息保存至實驗數(shù)據(jù)庫。

3.1.1 采集參數(shù)配置設(shè)計

緊湊型脈沖電源模塊放電為毫秒（ms）級的脈沖電流，其上升沿約200 μs，放電電壓波形下降沿約300 μs。為確保測量精度，信號上升時間與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率選取原則為：1）記錄長度＝采樣率×采集時間；2）信號帶寬＝0.35／信號上升時間；3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的帶寬＝5 ×信號帶寬；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)此原則計算出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率必須達到87.5 kS／s以上才能滿足脈沖電源模塊正常運行時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，波形會變得不規(guī)則，含有豐富的高頻成分，要保證信號中高頻信息不丟失（信號漏失和畸變），則應(yīng)提高數(shù)據(jù)采樣率。

通過調(diào)用函數(shù)庫的函數(shù)，將除打開和關(guān)閉外的函數(shù)體放置于循環(huán)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)連續(xù)采樣與數(shù)據(jù)動態(tài)展示。3.1.2 數(shù)據(jù)可視化設(shè)計

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，通過設(shè)定循環(huán)結(jié)構(gòu)的等待時間匹配所述采集儀的采樣率，使得程序每采集1個數(shù)據(jù)就將該數(shù)據(jù)傳入波形圖表控件進行顯示，形成電壓和電流波形；電壓數(shù)據(jù)連接動態(tài)數(shù)據(jù)顯示控件，實現(xiàn)實時顯示當(dāng)前充電電壓；同時將采集到的電流數(shù)據(jù)存入數(shù)組，通過調(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)顯示控件實現(xiàn)動態(tài)顯示峰值電流，從而實現(xiàn)展示充電和放電過程的電壓和電流數(shù)據(jù)功能。

3.1.3 數(shù)據(jù)保存設(shè)計

為明確保存路徑，程序?qū)@取到的Time Stamp 類型的系統(tǒng)時間轉(zhuǎn)換成字符串，以分離出日期和時間字符作為文件名，實現(xiàn)以實驗時間命名采集的電壓和電流數(shù)據(jù)。程序通過查找文件夾中是否存在相應(yīng)的時間.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格式可實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的快速讀取和便捷的數(shù)據(jù)交換，以及可以存儲大容量的采集數(shù)據(jù)。程序通過調(diào)用波形文件IO函數(shù)庫中的保存波形函數(shù)，設(shè)置添加至已有文件為T，設(shè)置是否保存抬頭信息為F，將采集到的動態(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

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

3.2.1 實驗數(shù)據(jù)信息管理設(shè)計

脈沖電源的實驗數(shù)據(jù)信息需要在每次數(shù)據(jù)采集后自動保存至相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，并對實驗次數(shù)計數(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)庫中建立experiment_voltage表和experiment_current表，用于存儲實驗數(shù)據(jù)，兩張表均包括實驗編號、實驗日期、備注等項目。連接開發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫，使得每次采集工作完成之后在experiment_data表中自動插入此次實驗電壓和電流數(shù)據(jù)記錄。

保存實驗數(shù)據(jù)后還需要對實驗數(shù)據(jù)庫進行信息更新，滿足對實驗信息添加詳細說明，進行故障標注等操作需求。通過對輸入的實驗時間進行索引，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驗時間對應(yīng)的備注欄中。實驗的電壓數(shù)據(jù)信息和電流數(shù)據(jù)信息為兩張表，可獨立管理互不干擾。3.2.2 實驗故障知識文庫設(shè)計

為實現(xiàn)脈沖電源的實驗故障知識文庫的建立，首先需要建立程序開發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫中錯誤信息表的連接，表中包含故障編號、故障類型、故障描述、故障元器件、解決方法等項目。通過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，實現(xiàn)實驗故障知識文庫的建立。

根據(jù)操作員的經(jīng)驗信息和實驗中發(fā)生的故障，在實驗故障知識文庫界面輸入故障編號、故障類型、故障描述、故障元器件、解決方法等信息，點擊插入故障按鍵后即可將實驗故障錄入至數(shù)據(jù)庫，并即時地進行實驗故障知識展示。

4 實驗結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)采集實驗

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)置保持默認值進行實驗。經(jīng)實驗驗證，本文數(shù)據(jù)采集功能能夠?qū)崟r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)采集模塊可進行長時間采樣，完整記錄十幾秒鐘的脈沖電源模塊充放電波形，同時能滿足毫秒級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)管理實驗

每進行一次數(shù)據(jù)采集，將同步更新至實驗數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫中，同時根據(jù)實驗時間對實驗情況進行備注。對于實驗故障知識文庫，可成功錄入并顯示脈沖電源故障信息。經(jīng)過實驗驗證，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2 MS／s，滿足毫秒級脈沖電流采樣需求的同時減小了采集系統(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，采集無記錄長度限制，提高采樣精度的同時可實時顯示采集的數(shù)據(jù)波形，無需導(dǎo)入第三方軟件進行分析查看，可清晰直觀地監(jiān)測實驗狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行后期維護。

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