高功率脉冲电源电压测试系统设计

0 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]。安全可靠地获取高功率脉冲电源的充、放电电压，是确保电磁发射试验顺利开展的关键步骤。

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、高电阻率的高压探头是测量脉冲电压的标准传感器[3]。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。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。

1 系统总体设计方案

对于2.5 kV以上大容量、高性能的电压测量，P6015A高压探头已经成为行业标准[4]。P6015A能够测量高达20 kV RMS的直流电压，以及高达40 kV的脉冲电压(峰值，100 ms脉冲宽度)，以1 000∶1的比率将高电压转换为低电压。电压采集装置主要由电源管理模块、信号调理模块、A/D转换模块、FLASH存储模块、无线收发模块、USB读数模块等组成。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。系统总体设计框图如图1所示。

图1 高电压测试系统总体设计框图

2 硬件电路设计

2.1 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。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]。无线射频芯片SI4463采用TTL电平输出，兼容3.3 V与5 V的I/O口电压,其工作频段为119～1 050 MHz，最大传输距离5 km，最大输出功率+20 dB，发射电流18 mA，接收电流10 mA。SI4463与STM8L101F3P6及FPGA的电路连接示意图如图2所示。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。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]。

图2 SI4463电路连接示意图

2.2 FT232H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12 Mbps，高速模式速度高达480 Mbps[7]。FT232H硬件设计如图3所示。为减少信号干扰，VPHY引脚与VPLL引脚接至3.3 V电压时采用LC低通滤波[8]。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#)、写准备信号(TXE#)、读信号(RD#)、写信号(WR#)和睡眠唤醒信号(SIMU)。

3 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。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。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。该芯片有一个CTS信号，用以向单片机反馈它的工作状态。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。读取CTS信号的时序如图4所示。

3.1 SI4463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。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]。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。

3.2 SI4463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，启动无线发射。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。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。

图3 FT232H接口电路

图4 读取CTS信号时序图

图5 SI4463数据读取流程图

图6 SI4463数据写入流程图

3.3 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。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。其中，10包数据中的地址数据呈递增状态，即证明数据正常写入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。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。从图中可以看出，程序设计满足要求。

图7 无线串口收发程序逻辑仿真图

4 系统测试实例及分析

4.1 系统测试流程

电压测试试验开始前，电压采集装置上电，经5 s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。

4.2 系统测试结果

额定工作电压为7.6 kV的电容储能型脉冲电源充、放电电压波形如图8和图9所示。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。

图8 充电电压波形

图9 放电电压波形

5 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USB接口芯片FT232H将数据上传至上位机进行数据分析。应用试验表明，系统能够实现对高功率脉冲电源充、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。