用数据采集实现对某型激光电源检测的研究

中航工业光电所 吕连法

用数据采集实现对某型激光电源检测的研究

中航工业光电所 吕连法

某检查仪上使用了一种特殊激光电源，该电源工作时产生频率为1Hz、占空比为1∶1的脉冲电流，电流输出范围为60～150A，而且可根据需要由电源管理软件设置电源输出电流的大小。由于检查仪在无负载的情况下不能输出脉冲电流，所以就不能检测它输出的电流值是否符合规定的要求，因而也就无法判定激光电源是否正常工作。

在实际工作中，使用该检查仪时，必须要确保检查仪处于合格状态，尤其是激光电源要正常工作，因为激光电源是该检查仪的核心部件。但是，由于该检查仪自身缺少电源检测功能，而被其检查的产品又非常重要，一旦出现产品检查失误就可能会给检测单位和用户造成重大损失，所以对该仪器进行技术改进刻不容缓。

一、检查仪的组成和存在的不足

1.检查仪的组成。检查仪是一个500mm×500mm×400mm机箱，主要由便携式工控机、12寸液晶显示器、开关电源、控制盒和激光电源组成，还包括由电源开关、球形开关、信号测试孔、测试端子构成的控制面板和内部联结电缆等元器件，如图1所示。各部分主要功能是：工控机用于设置激光电源输出功率和记录产品的检测数据。开关电源主要是为激光电源提供28V直流电压。控制盒内由I/O板和多个继电器组成，其中I/O板用于A/D和D/A转换，并向激光电源输出1Hz的高精度同步信号，将I/O板上一些必要的输入和输出电信号引出到控制面板测试孔，便于用示波器和三用表等进行检查或计量，控制面板上各种开关主要是通过控制盒中的继电器控制各种电源的输入和输出。

检查仪通过电缆与被检查产品相连，当接通220V和115V电源后，启动检查仪，它为被检查产品提供工作电压、所需电信号是频率为1Hz的脉冲大电流，接收并检查产品的输出信号，由此判定产品是否合格。

2.检查仪存在的不足。检查仪存在2个设计缺陷：一是该仪器不能自行对激光电源进行检测，工作时不能确定它所产生的电流脉冲是否合格，如果不合格，就不能用它来检测产品；二是该检查仪不便于计量，每次计量都要使用一个合格产品作为它的负载，这样不仅会影响产品的寿命，还会为该检查仪的计量带来不便。

二、技术改进的具体方案

针对检查仪存在的问题，笔者提出了技术改进方案，该方案主要使用数据采集来实现对激光电源的检测，具体来讲就是用计算机软件分析随机采集到的一个电流脉冲数据，用计算结果来判定该仪器激光电源输出的电流是否合格，进而判断该仪器是否合格。该方案在实现检查仪自检（BIT）功能的同时也解决了该仪器不便于计量的问题。

1.电源自检要解决的问题。实现检查仪激光电源自检要解决三个方面的问题：一是要设计一个与产品等效电阻值近似的模拟负载，二是选择合适的电流传感器和数据采集卡，三是编写检测软件来分析采集到的样本数据。经过仔细研究，在做了必要试验基础上，对检查仪做了一系列改进，改进后的检查仪机箱内增加了1个电流传感器（测量范围≤200A）、1个电阻值等于3 Ω的模拟负载和1个为电流传感器提供±15V电压的线性电源。在工控机中增加了1个PCI总线数据采集卡和1个I/O板，其中，模拟负载是根据产品的输出电阻值大小来决定。由3个9Ω的大功率电阻并联组成，数据采集卡和I/O板是研华公司生产的产品，电流传感器使用莱姆（LEM）公司的一款霍尔电流传感器。

图2是改进后的检查仪自检电路示意图。图中，左侧激光电源产生的脉冲电流经过导线AB和继电器K既可以输出到产品，也可以穿过闭环电流传感器L输出到模拟负载R1，而继电器K由检查仪控制面板上“自检”球形开关来控制。

2.自检流程。当检查仪启动后，“自检”开关处于“产品”默认位置，如果需要启动激光电源自检功能，则将“自检”开关向上拔到“自检”位置，此时，“自检”指示灯亮，继电器K闭合，B点和D点导通，电流流经传感器L和模拟负载R1，这时工控机的采集软件开始采集传感器M点输出的电压值，再经过分析解算，计算出激光电源输出的脉冲电流特性，在显示器上输出计算结果。

为了使检测软件计算的结果真实地反映出电源的输出特性，在仪器改进设计完成之后，模拟负载R1、电流传感器L和R0及导线材料都已确定的条件下，忽略环境温度变化等因素对电源输出的影响，采样数据理论上只与激光电源输出量有关系，每个数据样本与电源在该点的输出值都具有线性的关系，所以只要找出2者关系的修正量就可以使计算结果与电源输出量保持一致。

3.自检修正量检测。找出修正量的办法是将图2中的AB段导线引出到检查仪侧壁专门设计的计量窗口，用泰克公司的TCPA400电流放大器、TCP404XL电流探头和泰克3032B示波器等标准仪器组成的检查仪测量激光电源输出量，以这个测量结果为标准，调整检测软件中计算公式的修正量，使采样数据计算值同仪器测量的值相等，此时的修正量就是要找的数据，它将作为常量应用到采样数据的分析计算等操作。

由于该检查仪激光电源连续工作时间有限制（小于10min），所以在启动“自检”功能后，控制面板上的采样指示灯、电源工作警示灯和蜂鸣器会发出声光警示，表示激光电源正在工作，当采样完毕后要及时关断115V电源，停止激光电源的工作。

三、数据采样和数据分析

1.数据采样。激光电源工作时以1Hz的频率产生占空比为1∶1的脉冲电流，也就是说1s产生1个电流脉冲。根据香农采样定理的要求，采样频率至少要达到2Hz以上，采样频率越高，单位时间内的采样点就越多，采样数据就越能反映出脉冲电流的真实状态。在本方案中使用了单通道采样频率1kHz的数据采集卡，即1s采集1 000个样本，采集每1个样本用时1ms。设定检查仪的每次“自检”连续采样时间为10s，在10s内至少可以采集到8个完整的电流脉冲数据样本。

2.数据分析。为了快速处理这些采样数据，检测软件采用直接访问内存（DMA）的方式，将采样数据直接从采集卡的FIFO缓冲区读到内存中分配的缓冲区，再从缓冲区读取数据，由二进制转换为十进制，将转换后的数据先存到样本文件sample.txt中，等全部数据采集完成后，检测软件再从文件sample.txt中找出每个完整脉冲前沿有效值的位置，随机选出一个脉冲采样数据，计算出该脉冲宽度、电流峰值、电流均值和纹波大小等数据，将计算的结果与设置的值作比较，如果误差在允许范围内则认为激光电源合格，仪器可以使用，否则仪器就不能使用。

3.检测软件流程。检测软件是用微软公司的VC++软件编写的。软件在启动过程中首先要对I/O板和数据采集卡进行初始化，检查“自检”开关的状态。数据采样开始时，软件先从内存中申请1块缓存作为采样数据临时存储区，当数据采集完成后，检测软件在计算机后台对数据进行处理，并将处理结果保存到Acess数据库并显示到屏幕上，检测软件流程如图3所示。

本文，笔者通过数据采样实现了对激光电源检测的技术改进，解决了该型仪器中激光电源不能自检的问题，提高了该仪器检测产品的质量。但是，由于数据采集卡和电流传感器目前还不便于计量，计算机所采集到的数据只能作为仪器自检时一种判断依据，能否将采样分析结果作为激光电源的计量依据还需要做进一步的论证。