陳素穎，戰(zhàn)明川，龍鋒利，葉衛(wèi)東

（1．中國(guó)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(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPCⅡ）有近500套磁鐵電源，需要一套快速檢測(cè)系統(tǒng)（以下稱(chēng)檢測(cè)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(lèi)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(chǎng)，從而控制粒子運(yùn)動(dòng)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(cè)系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每個(gè)本地單元能獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)也可作為移動(dòng)平臺(tái)，用于其他系統(tǒng)或設(shè)備的測(cè)試。目前，BEPCⅡ正在使用的磁鐵電源檢測(cè)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(diǎn)的控制電路構(gòu)成。該系統(tǒng)中的單片機(jī)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)接受PC機(jī)發(fā)送的指令，以進(jìn)行選通通道和將采集數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。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(cè)一遍需5min，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)儲(chǔ)存環(huán)電源進(jìn)行長(zhǎng)期、快速的在線(xiàn)測(cè)量和實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。在加速器運(yùn)行過(guò)程中，一旦出現(xiàn)不明原因的丟束，則無(wú)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(cè)系統(tǒng)，將所有通道的回采數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，從而有利于進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)磁鐵電源電流值是否存在電流值跳變問(wèn)題。

1 快速檢測(cè)系統(tǒng)

1．1 快速檢測(cè)系統(tǒng)原理

BEPCⅡ磁鐵電源控制系統(tǒng)承擔(dān)著控制電源開(kāi)關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)及監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)來(lái)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(cè)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(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、PXI控制器等部分，每個(gè)PXI系統(tǒng)均可作為服務(wù)器與客戶(hù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，軟件采用Labview和SQL語(yǔ)言編寫(xiě)。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(lèi)型及磁鐵電源的輸出電流，選用穩(wěn)定度達(dá)2ppm的Hitec高精度傳感器［2］，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)快速檢測(cè)電源傳感器輸出的電壓信號(hào)，并與中央控制室送給磁鐵電源的給定信號(hào)對(duì)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．2 快速檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

檢測(cè)系統(tǒng)最小分辨率為18bit；最大采樣率為500kHz；信號(hào)通道數(shù)為497；8h穩(wěn)定度≤0．005%；非線(xiàn)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(zhǎng)線(xiàn)傳輸造成的干擾，采用5套PXI［3］系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)在BEPCⅡ運(yùn)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(wèn)題。

2 快速檢測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理

2．1 快速檢測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

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(cè)所有磁鐵電源的電流穩(wěn)定度。根據(jù)實(shí)時(shí)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(wèn)題，再對(duì)其進(jìn)行每通道30Hz的快速采集，采集過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)通過(guò)TCP／IP傳輸至中央控制室客戶(hù)端計(jì)算機(jī)，TCP包括如下函數(shù)節(jié)點(diǎn)：Connec－tion函數(shù)，用于建立客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間通訊的連接；Transmission函數(shù)，用于在客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)；Conversion函數(shù)，用于計(jì)算機(jī)IP地址和計(jì)算機(jī)名稱(chēng)之間的切換。TCP函數(shù)節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如圖3所示。

圖2 磁鐵電源檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

圖3 TCP函數(shù)節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程

在中央控制室計(jì)算機(jī)與5個(gè)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(hù)端。運(yùn)行時(shí)服務(wù)器端不斷偵聽(tīng)，當(dāng)有客戶(hù)端連接時(shí)則建立連接［4］，然后收取和發(fā)送數(shù)據(jù)形成通訊，客戶(hù)端程序運(yùn)行后與服務(wù)器端進(jìn)行試探連接，若未連接上，程序則重復(fù)連接或報(bào)超時(shí)，若連接上，則進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)處理。

2．2 快速檢測(cè)系統(tǒng)程序數(shù)值傳遞方式

Labview編寫(xiě)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(diǎn)，直接數(shù)據(jù)流傳遞速度最快，本地變量或?qū)傩怨?jié)點(diǎn)的方式無(wú)需與程序前面板的控制器／指示器直接連線(xiàn)就可用來(lái)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(duì)控制器／指示器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，因此占用內(nèi)存，當(dāng)為數(shù)組建立多個(gè)本地變量時(shí)，會(huì)占用大量的內(nèi)存。屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)時(shí)是對(duì)控制器／指示器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)或置入，不會(huì)占用內(nèi)存。由于本地變量是對(duì)內(nèi)存操作，所以運(yùn)行速度很快。相對(duì)于本地變量，屬性節(jié)點(diǎn)的效率很低，更占用CPU的資源。在快速檢測(cè)系統(tǒng)的軟件實(shí)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(diǎn)，可使系統(tǒng)運(yùn)行的響應(yīng)速度更快。

2．3 快速檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

MySQL是一開(kāi)放源碼的小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)［5］，具備體積小、速度快的優(yōu)點(diǎn)，支持多線(xiàn)程，充分利用CPU資源，支持大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，可處理?yè)碛猩锨f(wàn)條記錄的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。MySQL既能作為一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序應(yīng)用在客戶(hù)端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，也能作為一個(gè)庫(kù)而嵌入到其他的軟件中。本文對(duì)MySQL進(jìn)行如下優(yōu)化。

1）Datatime為8字節(jié)，與時(shí)區(qū)無(wú)關(guān)，缺省值是NULL，而Timestamp為4字節(jié)，與時(shí)區(qū)有關(guān)，缺省插入值是當(dāng)前時(shí)間。

2）MySQL用于處理連接和釋放連接的效率較高。因此，編寫(xiě)查詢(xún)程序時(shí)將復(fù)雜的查詢(xún)分成多個(gè)簡(jiǎn)單的查詢(xún)，然后在應(yīng)用層將這些小查詢(xún)連接起來(lái)，效率會(huì)很高。

磁鐵電源快速檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)通過(guò)TCP／IP將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制室MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，中央控制室可隨時(shí)查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的界面是以時(shí)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(shì)，同時(shí)可將查詢(xún)結(jié)果導(dǎo)出至Excel文件。

圖4 中央控制室數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)界面

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

3 快速檢測(cè)系統(tǒng)的文件存儲(chǔ)

在網(wǎng)絡(luò)不通或數(shù)據(jù)不需寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的情況下，需要檢測(cè)系統(tǒng)本地存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)要求文件存儲(chǔ)速度達(dá)30kB／s。與Excel文件格式存儲(chǔ)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(jìn)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(dāng)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入segment中時(shí)，實(shí)際上是新建了segment。各segment中包含幾個(gè)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(jī)存取特性，當(dāng)程序僅讀取其中1個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)，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(pán)陣列的高速流盤(pán)應(yīng)用中實(shí)際存取速度達(dá)372MB／s?？紤]到BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，采集軟件設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)每天自動(dòng)新存一個(gè)當(dāng)天日期為文件名的TDMS文件，避免單個(gè)文件過(guò)大。

4 對(duì)干擾采取的措施

為使BEPCⅡ磁鐵電源快速檢測(cè)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(duì)系統(tǒng)的影響。檢測(cè)系統(tǒng)的工作現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣，摻雜著各種來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的干擾，當(dāng)被測(cè)信號(hào)較微弱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)采集與處理誤差。檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)測(cè)電源電流時(shí)會(huì)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(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)分析大量測(cè)試數(shù)據(jù)表明，檢測(cè)系統(tǒng)極可能是從地線(xiàn)引入共模干擾，將輸入信號(hào)電纜屏蔽層連接檢測(cè)系統(tǒng)接線(xiàn)端子的接地片，取得了顯著的效果，實(shí)測(cè)電源穩(wěn)定度均優(yōu)于萬(wàn)分之一。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 磁鐵電源輸出檢測(cè)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(cè)

本文用高精度穩(wěn)流電源作為信號(hào)源對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行線(xiàn)性度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果列于表1。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)線(xiàn)性度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文研制的磁鐵電源快速檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)500kHz的采樣率，能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)磁鐵電源輸出電流值的瞬間跳變，成為BEPCⅡ運(yùn)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(kù)，使大量的采集數(shù)據(jù)得以迅速傳輸和存儲(chǔ)。本文開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)界面以時(shí)間軸曲線(xiàn)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(wèn)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(cè)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）．

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