用于脈沖電源模塊的數據采集與管理系統設計*

張 亞，田 慧，唐 波，堵文燦

（南京理工大學 瞬態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的可靠性，因此，實時監測脈沖電源模塊運行狀態，高效管理脈沖電源模塊實驗數據，是電源系統的基本運行維護要求。李貞曉等學者［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／通道，而脈沖電源模塊連發實驗要求的數據采集時間大于30 s，依據記錄長度＝采樣率×采集時間，因而采樣率只能設置相對較低，無法滿足放電瞬時的細節測量，并且所用示波器使用單次采集方式連續采集數10 s時，不能實時顯示出波形，而且也沒有數據管理功能。

本文采用程序開發軟件平臺，以高速數字采集儀為硬件核心，設計了數據采集模塊，利用上位機大容量的內存，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；運用典型數據庫設計了數據管理模塊對實驗數據進行管理，為后期脈沖電源日常維護和優化管理提供數據支持和決策依據。

1 系統總體設計

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。本文數據采集管理系統的總體結構如圖1 所示，系統主要由硬件部分和軟件部分組成。

圖1 系統總體設計框圖

2 硬件系統

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，S2為泄放開關，C為高壓儲能電容，T 為大功率晶閘管，D為續流二極管，L為調波電感，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行。充電回路由充電開關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S2，再閉合充電開關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，充電階段結束。放電階段由放電回路執行。放電回路由高壓儲能電容C、大功率晶閘管T、調波電感器L、續流二極管D和保護電阻R2組成，實現向負載RL輸出所需要的驅動電流。在放電階段，由總控系統發出觸發信號觸發晶閘管T 閉合，放電回路導通，電容C 存儲的電能通過晶閘管T、調波電感器L向負載RL放電。調波電感器L僅在放電階段工作，起調節輸出電流波形的作用。當電容器C放電完畢電壓為0 時，由于回路中電流發生變化，電感器L產生感應磁場與反向感應電流，此時續流二極管D導通，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行。安全泄放回路由泄放開關S2，泄放電阻R1和電容器C 構成。放電結束后閉合泄放開關S2，電容器上的殘余電能經由泄放電阻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、設備的安全。

2.2 高壓探針與脈沖電流互感器

本文系統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 高速數字采集儀

采用一種基于USB 接口進行數據傳輸的便攜式的8位高速數字采集儀，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。高速數字采集儀具有總線供電且即插即用的組成結構，是便攜化、小型化等優化指標下較為理想的采集設備選擇。

緊湊型脈沖電源模塊僅需測量電壓和電流兩路數據，因此，高速數字采集儀的雙通道同步采樣即可滿足脈沖電源模塊的數據采集需求，還提供一個輸入輸出復用通道，可以提供觸發通道進行采集系統的觸發控制。在滿足采集需求的同時，采用USB采集器，提高了系統的可移動性。

3 軟件系統設計

3.1 數據采集模塊設計

數據采集模塊［6，7］的工作流程如下：首先，配置采集參數。然后，啟動數據采集，等待脈沖電源進行充電和放電，同時進行數據可視化，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據波形，并在波形圖表右側以數字方式顯示當前的電壓值和峰值電流。脈沖電源模塊放電結束后按下軟件界面的停止按鈕停止數據采集，保存充電和放電電壓、放電電流數據至本地，同時顯示本地文件的物理地址。最后，將實驗數據信息保存至實驗數據庫。

3.1.1 采集參數配置設計

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，信號上升時間與數據采集系統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）數據采集系統的帶寬＝5 ×信號帶寬；4）數據采集系統的采樣率＝10×數據采集系統帶寬。依據此原則計算出數據采集系統的采樣率必須達到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。而當脈沖電源模塊發生故障時，波形會變得不規則，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），則應提高數據采樣率。

通過調用函數庫的函數，將除打開和關閉外的函數體放置于循環結構中實現連續采樣與數據動態展示。3.1.2 數據可視化設計

數據可視化［8］功能將采集到的電壓和電流數據連接至波形圖表控件，將程序整體放入循環結構中，通過設定循環結構的等待時間匹配所述采集儀的采樣率，使得程序每采集1個數據就將該數據傳入波形圖表控件進行顯示，形成電壓和電流波形；電壓數據連接動態數據顯示控件，實現實時顯示當前充電電壓；同時將采集到的電流數據存入數組，通過調用最大值函讀取電流數組中的最大值并將其放入數據顯示控件實現動態顯示峰值電流，從而實現展示充電和放電過程的電壓和電流數據功能。

3.1.3 數據保存設計

為明確保存路徑，程序將獲取到的Time Stamp 類型的系統時間轉換成字符串，以分離出日期和時間字符作為文件名，實現以實驗時間命名采集的電壓和電流數據。程序通過查找文件夾中是否存在相應的時間.txt 文件，如存在則將數據保存至相應的電壓或電流文件中，如不存在則新建.txt文件并將數據保存至其中。同時將數據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。數據保存的程序流程如圖3所示。

圖3 數據保存程序流程

本文軟件采用.txt格式可實現實驗數據的快速讀取和便捷的數據交換，以及可以存儲大容量的采集數據。程序通過調用波形文件IO函數庫中的保存波形函數，設置添加至已有文件為T，設置是否保存抬頭信息為F，將采集到的動態波形數據保存成.txt文件。

3.2 數據管理模塊設計

該軟件采用ODBC方式連接程序開發軟件和典型數據庫，調用開發軟件自帶的函數進行編程。

3.2.1 實驗數據信息管理設計

脈沖電源的實驗數據信息需要在每次數據采集后自動保存至相應數據庫，并對實驗次數計數，便于操作員掌握脈沖電源的使用次數。首先，在數據庫中建立experiment_voltage表和experiment_current表，用于存儲實驗數據，兩張表均包括實驗編號、實驗日期、備注等項目。連接開發軟件和數據庫，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據記錄。

保存實驗數據后還需要對實驗數據庫進行信息更新，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生后，將輸入的備注信息添加至與輸入的實驗時間對應的備注欄中。實驗的電壓數據信息和電流數據信息為兩張表，可獨立管理互不干擾。3.2.2 實驗故障知識文庫設計

為實現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軟件和數據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生，將故障信息錄入至數據庫，實現實驗故障知識文庫的建立。

根據操作員的經驗信息和實驗中發生的故障，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據庫，并即時地進行實驗故障知識展示。

4 實驗結果

4.1 數據采集實驗

本文系統采集儀設置最小采樣率為2 MS／s，最小記錄長度為1 000，偏移量為0；觸發通道選擇通道0，上邊沿觸發，其余設置保持默認值進行實驗。經實驗驗證，本文數據采集功能能夠實時顯示電流和電壓數據，采集結束后數據保存在以.txt為后綴的本地波形文件中，數據采集功能有效。

由圖4可知，數據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 數據波形

4.2 數據管理實驗

每進行一次數據采集，將同步更新至實驗數據管理數據庫中，同時根據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。經過實驗驗證，本文軟件數據管理功能有效。

5 結 論

1）以高速數字采集儀作為采集設備，雙通道同步采樣下輸入輸出接口較少，數據采樣率可達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的硬件體積，方便連接，提升了便攜性。

2）數據采集模塊通過仿真軟件底層函數架構，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據波形，無需導入第三方軟件進行分析查看，可清晰直觀地監測實驗狀態，及時發現故障并進行后期維護。

3）數據管理模塊通過ODBC方式連接數據庫，將實驗數據信息同步上傳至實驗數據庫，便于統一管理實驗數據信息；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；軟件支持對數據庫的增刪改查等操作，提高了系統的功能集成性。