用于脉冲电源模块的数据采集与管理系统设计*

2023-10-25堵文灿

传感器与微系统 2023年10期

张亚，田慧，唐波，堵文灿

（南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京 210094）

0 引言

脉冲电源模块工作情况的好坏将直接影响系统的可靠性，因此，实时监测脉冲电源模块运行状态，高效管理脉冲电源模块实验数据，是电源系统的基本运行维护要求。李贞晓等学者［1］研制的一种紧凑型脉冲电源模块使用示波器采集电压、电流波形，由于使用的示波器的最高记录长度为10 M点数／通道，而脉冲电源模块连发实验要求的数据采集时间大于30 s，依据记录长度＝采样率×采集时间，因而采样率只能设置相对较低，无法满足放电瞬时的细节测量，并且所用示波器使用单次采集方式连续采集数10 s时，不能实时显示出波形，而且也没有数据管理功能。

本文采用程序开发软件平台，以高速数字采集仪为硬件核心，设计了数据采集模块，利用上位机大容量的内存，以较高的采样率采集和保存脉冲电源模块实验全过程的充、放电波形；运用典型数据库设计了数据管理模块对实验数据进行管理，为后期脉冲电源日常维护和优化管理提供数据支持和决策依据。

1 系统总体设计

该紧凑型脉冲电源模块的充电时间约7 s，放电初始电压为7kV，放电电流峰值为130kA，电流放电时间为14 ms。本文数据采集管理系统的总体结构如图1 所示，系统主要由硬件部分和软件部分组成。

图1 系统总体设计框图

2 硬件系统

2.1 脉冲电源模块工作原理

脉冲电源模块的电路原理如图2 所示，I 为充电电源，S1为充电开关，S2为泄放开关，C为高压储能电容，T 为大功率晶闸管，D为续流二极管，L为调波电感，R1为泄放电阻，R2为保护电阻，RL为负载阻抗［2］。

图2 脉冲电源模块原理

脉冲电源模块的工作过程可分为充电阶段、放电阶段和安全泄放阶段。充电阶段由充电回路执行。充电回路由充电开关S1、高压储能电容C和充电电源I组成，用于向电容器充电存储能量。在充电阶段，先断开泄放开关S2，再闭合充电开关S1，由直流充电机I向高压储能电容C充电，充电完成后断开S1，充电阶段结束。放电阶段由放电回路执行。放电回路由高压储能电容C、大功率晶闸管T、调波电感器L、续流二极管D和保护电阻R2组成，实现向负载RL输出所需要的驱动电流。在放电阶段，由总控系统发出触发信号触发晶闸管T 闭合，放电回路导通，电容C 存储的电能通过晶闸管T、调波电感器L向负载RL放电。调波电感器L仅在放电阶段工作，起调节输出电流波形的作用。当电容器C放电完毕电压为0 时，由于回路中电流发生变化，电感器L产生感应磁场与反向感应电流，此时续流二极管D导通，阻止反向电流向电容器充电，起到保护电容器的作用。安全泄放阶段由安全泄放回路执行。安全泄放回路由泄放开关S2，泄放电阻R1和电容器C 构成。放电结束后闭合泄放开关S2，电容器上的残余电能经由泄放电阻R1安全释放至大地。安全泄放的作用有2 个：1）正常运行时，在放电结束后将电容器上的残余电能安全释放；2）在紧急情况时，直接释放电容器上储存的电能，以保护人员、设备的安全。

2.2 高压探针与脉冲电流互感器

本文系统高压差分探针和脉冲电流互感器在脉冲电源模块电路中的安装位置如图2 所示，电流互感器安装在位置1，用于测量脉冲电源模块输出的放电电流；位置2 和位置3之间跨接高压差分探针，用于测量储能电容器充放电的电压。

电流互感器由线圈和积分器组成［3，4］。电流互感器测量的最大峰值电流可达300 kA，峰值di／dt 为40 kA／μs，灵敏度为0.02 mV／A，频率范围为0.03 Hz ～16 MHz，精度可达0.2%。

高压差分探针可安全准确地测量两输入端的高电压信号。系统采用有源差分探头；带宽为DC—100 MHz，上升时间可达到3.5 ns，精度可达到±1%。

2.3 光纤隔离仪

系统采用的DC光纤隔离仪［5］，精度为0.5%，模拟带宽为0 ～40 MHz。

2.4 高速数字采集仪

采用一种基于USB 接口进行数据传输的便携式的8位高速数字采集仪，在双同步采样通道，采样速率50 MS／s／ch，输入范围从40 mVpp 到40 Vpp。高速数字采集仪具有总线供电且即插即用的组成结构，是便携化、小型化等优化指标下较为理想的采集设备选择。

紧凑型脉冲电源模块仅需测量电压和电流两路数据，因此，高速数字采集仪的双通道同步采样即可满足脉冲电源模块的数据采集需求，还提供一个输入输出复用通道，可以提供触发通道进行采集系统的触发控制。在满足采集需求的同时，采用USB采集器，提高了系统的可移动性。

3 软件系统设计

3.1 数据采集模块设计

数据采集模块［6，7］的工作流程如下：首先，配置采集参数。然后，启动数据采集，等待脉冲电源进行充电和放电，同时进行数据可视化，在软件界面上的波形图表上实时显示采集到的电压和电流数据波形，并在波形图表右侧以数字方式显示当前的电压值和峰值电流。脉冲电源模块放电结束后按下软件界面的停止按钮停止数据采集，保存充电和放电电压、放电电流数据至本地，同时显示本地文件的物理地址。最后，将实验数据信息保存至实验数据库。

3.1.1 采集参数配置设计

紧凑型脉冲电源模块放电为毫秒（ms）级的脉冲电流，其上升沿约200 μs，放电电压波形下降沿约300 μs。为确保测量精度，信号上升时间与数据采集系统的采样率选取原则为：1）记录长度＝采样率×采集时间；2）信号带宽＝0.35／信号上升时间；3）数据采集系统的带宽＝5 ×信号带宽；4）数据采集系统的采样率＝10×数据采集系统带宽。依据此原则计算出数据采集系统的采样率必须达到87.5 kS／s以上才能满足脉冲电源模块正常运行时电压和电流的采集要求。而当脉冲电源模块发生故障时，波形会变得不规则，含有丰富的高频成分，要保证信号中高频信息不丢失（信号漏失和畸变），则应提高数据采样率。

通过调用函数库的函数，将除打开和关闭外的函数体放置于循环结构中实现连续采样与数据动态展示。3.1.2 数据可视化设计

数据可视化［8］功能将采集到的电压和电流数据连接至波形图表控件，将程序整体放入循环结构中，通过设定循环结构的等待时间匹配所述采集仪的采样率，使得程序每采集1个数据就将该数据传入波形图表控件进行显示，形成电压和电流波形；电压数据连接动态数据显示控件，实现实时显示当前充电电压；同时将采集到的电流数据存入数组，通过调用最大值函读取电流数组中的最大值并将其放入数据显示控件实现动态显示峰值电流，从而实现展示充电和放电过程的电压和电流数据功能。

3.1.3 数据保存设计

为明确保存路径，程序将获取到的Time Stamp 类型的系统时间转换成字符串，以分离出日期和时间字符作为文件名，实现以实验时间命名采集的电压和电流数据。程序通过查找文件夹中是否存在相应的时间.txt 文件，如存在则将数据保存至相应的电压或电流文件中，如不存在则新建.txt文件并将数据保存至其中。同时将数据保存至本地的物理地址显示在软件界面上，方便操作人员查找。数据保存的程序流程如图3所示。

图3 数据保存程序流程

本文软件采用.txt格式可实现实验数据的快速读取和便捷的数据交换，以及可以存储大容量的采集数据。程序通过调用波形文件IO函数库中的保存波形函数，设置添加至已有文件为T，设置是否保存抬头信息为F，将采集到的动态波形数据保存成.txt文件。

3.2 数据管理模块设计

该软件采用ODBC方式连接程序开发软件和典型数据库，调用开发软件自带的函数进行编程。

3.2.1 实验数据信息管理设计

脉冲电源的实验数据信息需要在每次数据采集后自动保存至相应数据库，并对实验次数计数，便于操作员掌握脉冲电源的使用次数。首先，在数据库中建立experiment_voltage表和experiment_current表，用于存储实验数据，两张表均包括实验编号、实验日期、备注等项目。连接开发软件和数据库，使得每次采集工作完成之后在experiment_data表中自动插入此次实验电压和电流数据记录。

保存实验数据后还需要对实验数据库进行信息更新，满足对实验信息添加详细说明，进行故障标注等操作需求。通过对输入的实验时间进行索引，程序捕捉到更新信息的操作发生后，将输入的备注信息添加至与输入的实验时间对应的备注栏中。实验的电压数据信息和电流数据信息为两张表，可独立管理互不干扰。3.2.2 实验故障知识文库设计

为实现脉冲电源的实验故障知识文库的建立，首先需要建立程序开发软件和数据库中错误信息表的连接，表中包含故障编号、故障类型、故障描述、故障元器件、解决方法等项目。通过捕捉插入故障事件的发生，将故障信息录入至数据库，实现实验故障知识文库的建立。

根据操作员的经验信息和实验中发生的故障，在实验故障知识文库界面输入故障编号、故障类型、故障描述、故障元器件、解决方法等信息，点击插入故障按键后即可将实验故障录入至数据库，并即时地进行实验故障知识展示。