发明涉及高电压监测领域，具体为一种用于磁-惯性约束可控核聚变装置的高压在线监测方法。
背景技术：
1、在现代能源领域，核聚变被认为是未来最有潜力的清洁能源之一。核聚变能源系统的研究和开发需要克服许多技术挑战，其中之一就是高电压的监测和控制。磁惯性-约束装置是核聚变研究中的核心设备，主要功能是通过强磁场和惯性约束来维持高温等离子体的稳定，其电荷积累产生的几十千伏高压，不加控制与隔离，会严重损坏数据采集系统。因此，对系统高电压的监测和控制提出了极高的要求。
2、传统的高电压检测方法，其检测精度、高压隔离和数据传输能力难以满足磁惯性-约束装置的应用需求。这些方法通常依赖于电传感器和光学传感器，但在核聚变装置的高压环境中，传感器的表现往往不尽如人意。电传感器容易受到电磁干扰，从而导致测量数据不准确；光学传感器在高温环境中可能因材料老化或损坏而失效。此外，高压环境中的强辐射也会对传感器的敏感元件造成损害，进一步降低了监测系统的可靠性。
3、近年来，研究人员尝试了多种改进措施，如基于磁场测量的高压监测方法。这些方法利用磁场传感器来监测高压环境中的变化，避免了电磁干扰的影响。然而，这些方法在实际应用中仍然面临诸多挑战，磁场传感器的测量精度仍然不足，无法满足核聚变反应对高精度数据的需求，数据处理过程复杂，难以实现实时监测，由于核聚变装置的复杂性，传感器的安装和维护也面临困难。
4、此外，由于在实际使用中需要使用通信与数据采集系统和控制系统进行交互，没有足够完全的隔离措施，会导致高压信号有从通信线缆传输到后端采集设备及控制器的风险，所以要求设计的高压监测模块有足够的稳定性与高压隔离性能。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提出了一种兼顾高压隔离、高精度电压测量和远距离数据传输的用于磁-惯性约束可控核聚变装置的高压在线监测方法。本发明首先使用高精度的电阻与高耐压电容，结合运放与光电耦合隔离器设计了前端信号隔离板，再使用24bit高精度采样adc（analog-to-digital converter，模数转换器）实现模拟量到数字量的转换，结合fpga（field-programmable gate array, 现场可编程门阵列）与光纤传输实现信号高速传输实现第二级高压隔离，最后设计了数据接收板，处理光纤传输的信号，并通过串口协议与控制器进行通信，实现了高电压的精准采集、信号的两级高压隔离与数据高速传输。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种用于磁惯性-约束装置的高压监测方法，具体包括以下步骤：
4、步骤1：使用高精度高耐压的厚膜电阻、2kv高耐压电容以及低噪声运放芯片设计前端衰减网络与驱动增强跟随。
5、其中前端衰减网络与驱动增强跟随设计具体包括：
6、步骤s101：使用30个33mω厚膜电阻串联，以5个为一组并联10pf、2kv耐压电容，并在之后使用一个160pf、500v耐压电容对地滤波兼稳压，再串接一个9.09mω和100kω电容进行分压，从而组成了999.1mω分压、限流电路，同时使用并联电容，对电荷进行存储，充分减小对被测电压的影响，并起到稳压的作用。
7、步骤s102：将模拟运放的正信号输入端接到9.09mω与100kω中间，并将输出接到负信号端，形成负反馈，从而起到电压跟随的效果，同时经过运放，实现高输入阻抗到低输出阻抗的变换，增强对后级隔离的驱动能力。
8、步骤2：结合模拟晶体管输出光电耦合器（optical coupler）与低噪声运放芯片，设计第一级的高电压信号隔离。
9、其中第一级光电耦合器信号隔离的设计具体包括：
10、步骤s201：使用正5v电源连接电压基准芯片进行稳压，并串联10kω电阻与20kω滑动变阻器，用于低噪声运放静态偏置电压调节。
11、在设计中，用到的电压基准芯片是一个精密可调分流稳压器，它通过调整外部电阻来设置，产生一个稳定的参考电压，用于后续电路的偏置电压调节。10kω 电阻和 20kω滑动变阻器串联连接在芯片的输出和地之间，形成一个可调分压网络。滤波后的稳压电压接到低噪声运放的负信号输入端，用于抵消运放的静态偏置电压。
12、步骤s202：使用100kω电阻对输入信号进行电流限制，并使用1nf、50v耐压电容进行滤波，再接到低噪声运放的负信号输入端，作为光电耦合模块的输入信号。
13、步骤s203：将低噪声运放输出使用332ω电阻串接到光电耦合器的1号引脚，将光电耦合器的2号引脚接5v电源，将3号引脚接到低噪声运放运放的负信号输入端，将4号引脚接到正信号输入端，并将低噪声运放的正信号输入端接地。
14、其中，电耦合器的1、2号引脚之间的发光二极管led正极接2号引脚，负极接1号引脚，3、4号引脚之间的光敏二极管为pd1，同样3号为负极，4号为正极。在瞬态分析中，当模拟输入信号变大时，由于led正极接5v，负极接低噪声运放输出，led的光强会变大，从而导致流经pd1的电流变大，从而使得负信号输入端的电平变小，使得低噪声运放正负端电平保持平衡，也就是使得低噪声运放负信号端电平始终处于0参考电位，从而使得led的光强能够随输入的模拟输入信号动态变化，而不是处于正负两个电压极点。
15、步骤s204：将光电耦合器的6号引脚接到后级的低噪声运放的负信号输入端，将5号引脚接到低噪声运放的正信号输入端。同步骤s201，使用5v电源，串接2kω滑动变阻器，使用470nf，16v耐压电容进行滤波，并串接100k电阻到低噪声运放的负信号输入端进行限流。此外，在输出端低噪声运放串接49r9电阻，再使用100kω滑动变阻器连接到低噪声运放负信号输入端。
16、其中，记光电耦合器的5号引脚与6号引脚之间光敏二极管为pd2，且5号引脚接pd2的正端，6号引脚接pd2的负端。瞬态分析如步骤s203中，当模拟输入信号变大时，led的光强变大，使得pd2的等效电阻变小，使得低噪声运放反馈电流变大，从而使得输出电压变大，也就是经过模拟光电耦合器后，输出电压与输入电压成比例关系，从而起到了模拟信号的光隔离效果。
17、步骤3：结合微功率隔离电源、变压器隔离、整流桥与无源滤波网路设计前端隔离板的电源系统。
18、其中，前端隔离板的电源系统的设计具体包括：
19、步骤s301：将板级输入电压，连接到22uf、25v耐压与470nf、35v耐压的滤波电容，进行第一次电压变换，将6至30v的输入电压，转换成标准的5v输出电压，并使用22uf、16v耐压的电容进行滤波。
20、步骤s302：将微功率隔离电源的5号正电压输入引脚vcc与1号使能引脚en连接到步骤s301输出的5v电压，并使用两个470nf，16v耐压并联到2号gnd引脚进行滤波与稳压。
21、步骤s303：将微功率隔离电源的4号电压输出引脚vd1与6号电压输出引脚分别连接到变压器的4、6号引脚，并将变压器的次端1、3号引脚连接到整流桥，并将整流桥的正输出端接地，从而结合变压器与微功率隔离电源，产生-5v的输出电压，并使用22uf、16v耐压的钽电容进行蓄能与稳压。
22、步骤s304：将步骤s303中微功率隔离电源的4、6号引脚，不经过变压器，直接接到整流桥上，使用22uf，16v耐压电容、10uh电感、4.7uf，16v耐压电容，分别接到整流桥的正负输出端，并将中性点接地，从而输出正负5v电压，用于偏置电压的调节。
23、步骤s305：在低噪声运放的供电端，使用470nf，16v耐压的电容进行终端滤波。
24、下表1所示为实板高压测试结果：
25、表1：
26、
27、步骤4：使用24bit高精度采样adc，结合fpga芯片、光纤通信模块、以及ddr3缓存构建数据传输的光隔离输出端与输入端。
28、其中数据传输的光隔离输出端与输入端设计具体包括：
29、步骤s401：使用15nh电感与4pf电容组成π型滤波网络，连接到高精度采样adc模拟电压的输入引脚，使用16mhz的无源晶振，连接到adc的10号引脚xtal1与11号引脚xtal2。
30、步骤s402：配置采样adc的spi接口，将fpga芯片上的spi接口引脚分别连接到采样adc的din、dout、sclk和cs引脚。并将gpio0与gpio1引脚连接到对应的数据写入引脚，进行采样adc的寄存器配置。
31、步骤s403：使用开关电源芯片作为一级降压处理，将12v输入电压降到5.4v和3.7v供二级线性电源稳压。并使用二级线性电源芯片将5.4v和3.7v分别稳压到5v和3.5v。
32、其中，所选开关电源芯片，具有 200khz 至 1.6mhz 的可调开关频率，输入电压范围为4.5v至17v，输出电压范围0v至7.7v，在电源设计中将12v输入降压到5.4v，作为第一级电源降压。输出电压vo计算公式如下：
33、
34、其中参电压vref是电源芯片内部通过一个温度稳定的带隙电路输出产生精确的±1%的基准电压，标准值为0.8v，r1与r2为外围电压设置电阻。
35、输出电感计算公式如下：
36、
37、其中vinmax为最大输入电压，vout为输出电压，kind是一个表示电感纹波电流与最大输出电流比例的系数，实际应用时取值在0.1至0.3之间，是开关频率，其值由外接电阻rrt决定，计算公式如下：
38、
39、在设计时rrt选择了100kω也就是fsw为470khz。
40、其中，所选二级线性电源芯片，是一款低噪声、低压降的ldo，输入电压范围是1.4v至6.5v，输出电压在any-out模式下为0.8v至3.95v，可调模式下为0.8v至5v，由于所需要的输出电压为5v，所以需要使用外接电阻，工作在可调模式下。输出电压计算公式如下：
41、
42、其中v_ref为0.8v，且需要满足：
43、
44、步骤s404：使用fpga芯片与xlinx光纤通信模块进行数据传输，光纤通信模块具有发射（tx）和接收（rx）两个主要接口。将fpga的高速串行收发器（gtx/gth）与光纤通信模块的接口连接。
45、其中，pga的gtx/gth发射端（txp/txn）连接到光纤通信模块的发射引脚txd+和txd-，fpga的gtx/gth接收端（rxp/rxn）连接到光纤通信模块的接收引脚rxd+和rxd-，mod-def0通常接地，mod-def1和mod-def2连接到fpga的i2c接口，用于模块配置和状态读取。tx_disable引脚用于禁用光纤模块的发射功能，ddr3缓存用于数据的临时存储和快速访问，将fpga的地址总线a0-a15、命令信号ras, cas, we、行地址选通cs、时钟ck, ck#、时钟使能cke、以on-die termination信号连接到ddr3缓存。
46、步骤5：基于qt框架开发了上位机软件，用于监控和控制fpga与光纤通信模块的数据传输，以及管理ddr3缓存。
47、其中，上位机软件设计与协议规定具体包括：
48、步骤s501：使用布局管理器qvboxlayout、qhboxlayout、qgridlayout组织控件，确保界面在不同分辨率下自适应功能。
49、其中，qvboxlayout为垂直布局管理器，用于将控件垂直排列。适合于需要纵向排列控件的场景，从上到下依次排列按钮、文本框和标签。qhboxlayout为水平布局管理器，用于将控件水平排列。用于横向排列控件的场景，从左到右依次排列工具按钮、图标和输入框。qgridlayout为网格布局管理器，用于在网格中排列控件，通过设置行列跨度来实现控件的跨行跨列布局。
50、步骤s502：通过嵌套使用布局管理器，在一个 qvboxlayout 中嵌套 qhboxlayout和qgridlayout，实现不同区域的控件组织和排列。在主窗口中，使用 qvboxlayout 作为主布局管理器，将顶部的工具栏、中间的数据展示区和底部的状态栏分别嵌套在主布局中。
51、步骤s503：上位机下发的数据包指令满足以下协议格式：
52、表2:
53、
54、本发明的有益效果如下：使用高精度的电阻和高耐压电容设计了前端信号隔离电路,可以准确监测高达8kv的电压，采用模拟光耦隔离和fpga光纤传输实现了两级隔离,确保了高压信号的安全传输, 提高了信号传输的可靠性和速度,结合fpga和ddr3缓存设计了数据传输系统,能够实现高速、低延时的数据传输,
55、采用开关电源和线性稳压电源的二级供电方案,能够为前级电路提供稳定的电压，
56、使用滤波电容、电感等元件进行电源滤波和稳压,确保了供电质量，采用qt框架开发的上位机软件,具有良好的可视化界面和数据管理功能。
1.一种用于磁-惯性约束可控核聚变装置的高压在线监测方法，其特征在于：使用高精度的电阻与高耐压电容，结合运放与光电耦合隔离器设计了前端信号隔离板，再使用24bit高精度采样adc实现模拟量到数字量的转换，结合fpga与光纤传输实现信号高速传输实现第二级高压隔离，最后设计了数据接收板，处理光纤传输的信号，并通过串口协议与控制器进行通信，实现了高电压的精准采集、信号的两级高压隔离与数据高速传输。
2.根据权利要求1所述的一种磁惯性-约束装置的高压监测方法，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种磁惯性-约束装置的高压监测方法，步骤1具体包括如下步骤：
4.根据权利要求2所述的一种磁惯性-约束装置的高压监测方法，步骤2具体包括如下步骤：
5.根据权利要求2所述的一种磁惯性-约束装置的高压监测方法，步骤3具体包括如下步骤：
6.根据权利要求2所述的一种磁惯性-约束装置的高压监测方法，步骤4具体包括如下步骤：
