高功率脉冲电源电压测试系统设计

㊀２０２０年
㊀第２期仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．２㊀
收稿日期：２０１９－０３－１２高功率脉冲电源电压测试系统设计何㊀巧１，２，马游春１，２，马子光１，２，刘鹏媛１，２
（１．中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原㊀０３００５１；
２．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原㊀０３００５１）
㊀㊀摘要：为了测试电磁发射过程中高功率脉冲电源的充㊁放电电压，设计了一种基于ＦＰＧＡ的高电压测试系统㊂系统使用Ｐ６０１５Ａ高压探头将高电压转换成低电压信号，由Ａ／Ｄ转换器实现模－数转换；ＦＰＧＡ芯片作为电路的主控单元，将数据编帧之后存储在大容量ＦＬＡＳＨ芯片中；最后经过ＵＳＢ接口芯片将采集到的数据上传到上位机显示分析；为确保试验人员安全，采集命令由串口数据收发软件通过无线收发模块进行远程控制㊂系统已应用于电磁发射试验中，实现对额定工作电压为７．６ｋＶ的电容储能型脉冲电源充㊁放电电压信号的采集存储与数据分析㊂应用试验表明，系统具有测量准确度高㊁安全可靠性强等特点，还可用于其他领域的高电压信号采集㊂
关键词：高功率脉冲电源；高电压；ＦＰＧＡ；测试系统；无线控制；数据采集
中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０２－００４６－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈＰｏｗｅｒＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＶｏｌｔａｇｅＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍ
ＨＥＱｉａｏ１，２，ＭＡＹｏｕ⁃ｃｈｕｎ１，２，ＭＡＺｉ⁃ｇｕａｎｇ１，２，ＬＩＵＰｅｎｇ⁃ｙｕａｎ１，２
（１．ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，
Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｄｕｒｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅ⁃ｍｉｓｓｉｏｎ，ａｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄＰ６０１５Ａｈｉｇｈ⁃ｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｂｅｔｏｃｏｎｖｅｒｔｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｉｎｔｏｌｏｗｖｏｌｔａｇｅａｎｄｕｓｅｄＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒｒｅａｌｉｚｅａｎａｌｏｇ⁃ｔｏ⁃ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ＴｈｅＦＰＧＡｃｈｉｐｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｔｏｒｅｄｔｈｅｆｒａｍｅｄｄａｔａｉｎａｌａｒｇｅ⁃ｃａｐａｃｉｔｙＦＬＡＳＨｃｈｉｐ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｄａｔａｗａｓｕｐｌｏａｄｅｄｔｏｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐｆｏｒｄｉｓｐｌａｙａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｅｓｔｐｅｒｓｏｎｎｅｌ，ｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｗａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｓｅｒｉａｌｄａｔａｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｓｏｆｔｗａｒｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｍｏｄｕｌｅｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｓｙｓ⁃ｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏａｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎＣｈｉｎａ，ａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｔｏｒａｇｅ，ｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｔｙｐｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｔｈｔｈｅｒａｔｅｄｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｆ７．６ｋＶ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙ，ｈｉｇｈｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅ⁃ｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｃａｎａｌｓｏｂｅｕｓｅｄｆｏｒｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｉｎｏｔｈｅｒｆｉｅｌｄｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ；ＦＰＧＡ；ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
０㊀引言
高功率脉冲电源是电磁发射系统的关键组成部分与能量来源，其工作状况直接影响电磁发射［１－２］㊂安全可靠地获取高功率脉冲电源的充㊁放电电压，是确保电磁发射试验顺利开展的关键步骤㊂
由于脉冲电源测试环境的特殊性，在放电过程中，伴有ｋＶ级大电压和ＭＡ级超大电流，同时电源系统周围还会产生强磁场，该测试环境危险性大，需要使用特殊的高压设备进行检测，具有ｎｓ级的上升时间㊁高电阻率的高压探头是测量脉冲电压的标准传感器［３］㊂在电压测试试验前，参试人员需撤离试验场地，这对电压采集装置提出了更高的要求㊂为解决传统的采集设备无法远程控制的问题，提出了利用无线串口来实现对采集装置的控制㊂
１㊀系统总体设计方案
对于２．５ｋＶ以上大容量㊁高性能的电压测量，Ｐ６０１５Ａ高压探头已经成为行业标准［４］㊂Ｐ６０１５Ａ能够测量高达２０ｋＶＲＭＳ的直流电压，以及高达４０ｋＶ的脉冲电压（峰值，１００ｍｓ脉冲宽度），以１０００ʒ１的比率将高电压转换为低电压㊂电压采集装置主要由
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㊀第２期何巧等：高功率脉冲电源电压测试系统设计
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电源管理模块㊁信号调理模块㊁Ａ／Ｄ转换模块㊁ＦＬＡＳＨ存储模块㊁无线收发模块㊁ＵＳＢ读数模块等组成㊂该测试系统通过远程控制发送采集命令，采集到的信号经过信号调理之后由Ａ／Ｄ转换芯片转换成相应的数
字信号，数据编帧之后存储在大容量ＦＬＡＳＨ存储芯片之中，最后经过ＵＳＢ接口芯片ＦＴ２３２Ｈ将数据上传至上位机软件进行显示与分析㊂系统总体设计框图如图１所示
㊂
图１㊀高电压测试系统总体设计框图
２㊀硬件电路设计２．１㊀无线收发模块
无线控制系统由２个相同的无线串口通信模块组成，完成采集系统和计算机之间的通信，两模块间由射频天线完成数据传输㊂该无线串口收发模块选用无线射频收发芯片ＳＩ４４６３作为数据收发器件，选用ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６型单片机作为无线模块的微控制器，控制ＳＩ４４６３对数据进行射频接收及发送［５］㊂无线射频芯片ＳＩ４４６３采用ＴＴＬ电平输出，兼容３．３Ｖ与５Ｖ的Ｉ／Ｏ口电压，其工作频段为１１９ １０５０ＭＨｚ，最大传输距离５ｋｍ，最大输出功率＋２０ｄＢ，发射电流１８ｍＡ，接收电流１０ｍＡ㊂ＳＩ４４６３与ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６及ＦＰＧＡ的电路连接示意图如图２所示㊂单片机与ＳＩ４４６３之间通过４线ＳＰＩ接口进行数据通信，而与系统主控ＦＰＧＡ之间通过串口通信㊂考虑到该电压检测试验对主控电路没有特殊需求，系统选用了Ｓｐａｒｔａｎ３系列ＸＣ３Ｓ４００ＰＱＧ２０８芯片［６］㊂
图２㊀ＳＩ４４６３电路连接示意图
２．２㊀ＦＴ２３２Ｈ接口电路
系统采用ＵＳＢ接口芯片ＦＴ２３２Ｈ与上位机进行通信，ＦＴ２３２Ｈ芯片，全速为１２Ｍｂｐｓ，高速模式速度高达４８０Ｍｂｐｓ［７］㊂ＦＴ２３２Ｈ硬件设计如图３所示㊂为减少信号干扰，ＶＰＨＹ引脚与ＶＰＬＬ引脚接至３．３Ｖ电压
时采用ＬＣ低通滤波［８］㊂引脚ＡＤＢＵＳ０ ＡＤＢＵＳ７是Ｉ／
Ｏ数据接口，在异步ＦＩＦＯ模式下ＡＣＢＵＳ０ ＡＣＢＵＳ４分别配置为读准备信号（ＲＸＦ＃）㊁写准备信号（ＴＸＥ＃）㊁读信号（ＲＤ＃）㊁写信号（ＷＲ＃）和睡眠唤醒信号（ＳＩＭＵ）㊂３㊀无线串口收发模块逻辑设计
２个无线串口通信模块的程序设计基本相同，电
压采集装置的无线串口收发模块逻辑设计如下㊂电压采集装置首先完成对操作指令的无线接收，进而由主控芯片ＦＰＧＡ做出相对应的应答反馈㊂对模块中的无线射频芯片ＳＩ４４６３来说，其要发送和接收的数据都需要单片机通过ＳＰＩ接口来对数据进行写入和读取，并且ＳＩ４４６３对不同的操作都有相应的指令，只需通过ＳＰＩ进行配置㊂该芯片有一个ＣＴＳ信号，用以向单片机反馈它的工作状态㊂该信号在地址为０ｘ４４的寄存器中，当该寄存器中的数值为０ｘＦＦ时，表示芯片已经做好准备，可以接收来自单片机的新指令，否则将不能接收㊂读取ＣＴＳ信号的时序如图４所示㊂３．１㊀ＳＩ４４６３数据读取
电流采集系统在数据接收时，一直打开无线接收功能，接收来自远程上位机发出的数据包㊂收到数据包后，微控制器ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６首先从射频芯片ＳＩ４４６３中读取无线数据，再将数据通过串口ＴＸＤ引脚发送给ＦＰＧＡ［９］㊂在数据接收模式下，单片机从
ＳＩ４４６３中读取数据的程序流程如图５所示㊂
３．２㊀ＳＩ４４６３数据写入
当电压采集装置准备发送相应操作指令的反馈信号时，无线模块中的微控制器ＳＴＭ８Ｌ１０１Ｆ３Ｐ６首先通过串口ＲＸＤ引脚接收来自ＦＰＧＡ的数据包，每个无线数据包的长度为３２ｂｙｔｅ，当输入数据量达到３２ｂｙｔｅ时，启动无
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㊀４８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
Ｆｅｂ．２０２０㊀
图３㊀ＦＴ２３２Ｈ
接口电路
图４㊀读取ＣＴＳ
信号时序图
图５㊀ＳＩ４４６３数据读取流程图
线发射㊂此时可以继续写入需要发射的数据；当需要发送的字节小于３２ｂｙｔｅ时，射频芯片等待３个字节的时间，在这期间若无数据再输入，即认为数据终止，发送模
块将所有数据包经过无线发出，然后经ＳＰＩ接口将数据写入ＳＩ４４６３，由射频天线无线发送㊂在数据发送模式下，单片机向ＳＩ４４６３中写入数据的程序流程图如图６所示
㊂
图６㊀ＳＩ４４６３数据写入流程图
３．３㊀无线串口控制逻辑仿真
当主控模块ＦＰＧＡ收到来自串口的操作指令时，会做出相应的应答反馈㊂以数据记录为例，当远程上位机发来 开始记录 的命令时，ＦＰＧＡ即控制Ｆｌａｓｈ
开始数据写入，并向远程上位机发送１０包数据作为应答，每包数据的格式为 帧头ＥＢ９０＋帧计数＋工作状态＋Ｆｌａｓｈ当前地址＋触发状态＋０Ｄｈ＋０Ａｈ 共１０个字节㊂
其中，１０包数据中的地址数据呈递增状态，即证明数
㊀㊀㊀㊀㊀第２期何巧等：高功率脉冲电源电压测试系统设计４９㊀㊀
据正常写入Ｆｌａｓｈ存储模块中［１０］；同样地，当远程上位机发来停止记录 的命令时，ＦＰＧＡ即控制Ｆｌａｓｈ停止写入数据，也向远程上位机发送１０包数据作为应答，与开始记录不同的是，每一包数据中都包含Ｆｌａｓｈ停止记录时的地址，１０包数据中的地址相同，即证明数据停止写入Ｆｌａｓｈ存储模块中㊂对无线串口收发模块的Ｖｅｒｉｌｏｇ控制逻辑代码做仿真，其时序仿真图如图７所示㊂从图中可以看出，程序设计满足要求
㊂
图７㊀无线串口收发程序逻辑仿真图
４㊀系统测试实例及分析
４．１㊀系统测试流程
电压测试试验开始前，电压采集装置上电，经５ｓ
的复位延时后，系统正式进入待工作状态；电压采集
装置与上位机连接，在上位机中对存储模块进行擦除
操作后，采集系统进入待采集模式；在收到 开始记
录 的命令之后，打开无线串口控制软件，远程启动采
集装置，系统内部存储模块开始记录数据；脉冲电源
放电结束后，在无线串口控制软件中远程控制设备停
止记录，试验结束；在上位机数据回读结束后，对电压
数据进行分析绘图，最终还原被测电压的波形㊂
４．２㊀系统测试结果
额定工作电压为７．６ｋＶ的电容储能型脉冲电源
充㊁放电电压波形如图８和图９所示㊂试验结果表明，
使用Ｐ６０１５Ａ高压探头测量高电压，并利用无线串口
来实现对电压采集装置的控制，能够对危险环境下的
脉冲电源电压进行安全可靠的数据采集存储及分析
㊂
图８㊀充电电压波形
５㊀结束语
系统采用Ｐ６０１５Ａ高压探头作为传感器，将高压
信号转变为低电压信号，以ＦＰＧＡ作为中心控制单元，
采用无线串口模块实现对采集装置的远程控制，
通过
图９㊀放电电压波形
ＵＳＢ接口芯片ＦＴ２３２Ｈ将数据上传至上位机进行数据
分析㊂应用试验表明，系统能够实现对高功率脉冲电
源充㊁放电电压高可靠安全采集存储和分析，且操作
简单，具有良好的通用性与稳定性，其设计可供类似
系统参考㊂
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（下转第１１３页）
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㊀第２期罗仕豪等：刷状结构冠醚用于ＳＥＧＦＥＴ⁃ｐＫ敏感膜的研究
１１３㊀
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图７㊀刷状结构聚苯胺的滞后电压图
试，记录其电压值，结果如表１所示㊂该修饰电极的敏感性（电压）在３０ｄ内基本没有变化（小于５ｍＶ），且每次测量完后硅晶片表面二苯并－１８－冠醚－６敏感膜无明显变化，说明此传感器具有较好的稳定性㊂
表１㊀修饰电极在１ˑ１０－２ｍｏｌ／Ｌ缓冲溶液中的稳定性测试
设计了基于ＬＦ３５８为输入级的运算放大器，将刷状结构二苯并－１８－冠醚－６作为栅极钾离子敏感材料，测其ｐＫ在２ ３范围内灵敏度达到５８．９ｍＶ／ｐＫ，并且具有较快的响应时间（２．５ｍｉｎ）和较小的滞后电压（５ｍＶ），与传统的ＰＶＣ敏感膜相比，不仅提高敏感膜与基体材料的粘附力，具有良好的稳定性及机械性能，一定程度上也提高了灵敏度，缩短了响应时间［６－７］㊂按图１设计组成ＳＥＧＦＥＴ－ｐＫ传感器，使得敏感膜的沉积㊁修饰及检测易于操作，可微型化㊂由于制备刷状结构冠醚具有灵敏度高㊁稳定性好㊁低成本㊁制备简单等优势，可用于钾离子传感器和基于ＦＥＴ的生物传感器，具有广阔的前景㊂参考文献：
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子聚合物作为Ｋ＋敏感膜应用于场效应晶体管㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１１０３０７３７９１＠ｑｑ．ｃｏｍ
强敏（１９５９ ），教授，主要研究方向为功能高分子及药物中间体的制备，天然植物药的提取与分离㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：７３４３３９０８３＠ｑｑ．ｃｏｍ
（上接第４９页）
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作者简介：何巧（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为测试计
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马游春（１９７２ ），副教授，博士，主要研究方向为测试计量技术及仪器㊁光纤光栅传感技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１０５４４０５０８４＠ｑｑ．ｃｏｍ。