本发明属于电源瞬态监测领域，尤其涉及一种用于水质在线观测网的岸基电源输出瞬态监测系统。
背景技术：
水质在线观测网是近年来新出现的一种水质监测方式，它是由海底观测网发展而来，区别传统的水质监测技术如人工取样检测、浮标水质监测站等方法，其通过“岸基站—光电复合缆—水下接驳盒—水质传感器”的结构实现对水质的长期、实时、原位监测。水质在线观测网主体部分运行于水下，容易受到各种损害，如渔民作业损伤光电复合缆和接驳盒、水下设备密封失效、设备潮湿进水等。由于水下设备维护和检修不易，因此需要故障诊断系统对其进行实时监测和故障分析，以便在故障发生后定位故障原因，制定科学合理的维修方案，并针对故障原因对做出改进。
对岸基电源输出电压和电流的高速实时监测可有效发现故障并分析故障原因。现有水质在线观测网对岸基电源的电压和电流监测方式为周期性低速监测，如每秒测量一次电压和电流值，这种监测方式无法捕获水下电缆或接驳盒短路造成的瞬间振荡，不能识别故障是由岸基电源造成还是由水下电缆或接驳盒短路造成，也不能完好保留故障时刻的岸基电源输出瞬态波形，供后续人工分析。
技术实现要素：
本发明提供一种用于水质在线观测网的岸基电源输出瞬态监测系统，对岸基电源进行高速实时监测，实现故障告警、故障现场保留和故障原因分析等功能。
一种用于水质在线观测网的岸基电源输出瞬态监测系统，包括前端采样模块、AD转换模块、FPGA、SDRAM、MCU、通信模块和上位机；所述前端采样模块对岸基电源的输出电压和电流进行采样和调理，然后输入至AD转换模块；所述AD转换模块将采样信号转换为数字信号后输入至FPGA；所述FPGA对输入的数字信号进行实时异常判断，并将数据缓存至SDRAM，当FPGA发现输入信号异常时，将SDRAM中的缓存的异常点前后的数据读出，发送至MCU；所述MCU通过通信模块将数据发送至上位机。
作为优选，前端采样模块的电压采样由并联电阻分压实现，电流采样由串联采样电阻实现，后端增加RC滤波电路，滤波截止频率为采样频率的一半左右，以滤除无法完整采样的高频信号。
作为优选，所述AD转换模块的转换频率不小于50MSPS。当水下发生短路故障时，足够高的采样频率才可以采集到短路时刻微秒级的震荡波形。
作为优选，所述的异常判断包括：判断电压、电流、电压变化率和电流变化率是否在正常范围。对于异常判定，异常类型包括过压、欠压、过流、电压变化率过大和电流变化率过大5种类型。对于欠压来说，上电和下电过程均会触发欠压异常，因此可以记录上电和下电的波形数据；对于电压变化率过大和电流变化率过大，其表明水下电缆或接驳盒发生了短路故障，造成瞬时的电学振荡。
作为优选，SDRAM的缓存在写入和读取时各通过一个异步FIFO作缓冲。写入缓冲FIFO用于调节采样频率和SDRAM写入频率不一致，读出缓冲FIFO用于调节MCU读取数据速率和SDRAM读出频率的不一致。异步FIFO由FGPA内部通过逻辑生成。作为优选，SDRAM采用循环写入的缓存方式，即末地址写完后继续从首地址写入，以保持SDRAM中所有数据都是最新的。并且其写入和读取采用按页写和按页读的方式，以提高SDRAM的读写效率。
作为优选，MCU采用STM32系列单片机，通过自带的FSMC控制器读取FPGA发送的采样数据。
作为优选，MCU与上位机采用高速USB2.0或者百兆以太网的方式通信，实现大量数据的快速可靠传输。
作为优选，MCU通过串口向FPGA设置异常判定的参数，FPGA通过串口向MCU发送异常类型。
作为优选，在FPGA未检测到异常时，MCU周期性地读取当前的采样数值，并发送至上位机，读取的数据通过并行数据通道传输。
作为优选，MCU和FPGA通过IO口直接相连的方式辅助通信。MCU输出高低电平以示意FPGA自己需要读取当前采样数值还是SDRAM中缓存的异常波形数据；FPGA通过另一IO口发送高低电平示意MCU自己是否检测到异常。
作为优选，上位机收到异常时，根据异常类型和异常前后的电压电流数值作出故障类型判断。当电压变化率或电流变化率过大时，表明水下发生短路故障引起岸基电源输出震荡；当异常类型为欠压时，异常前电压为0或接近0，异常后电压为工作电压，则表明岸基电源上电；当异常类型为欠压，异常前电压为工作电压，异常后电压为0或接近0，表明岸基电源下电或因供电异常、潮湿等原因自我保护而掉电。
本发明通过对水质在线观测网的岸基电源进行实时的高速监测，识别输出电压和电流的异常情况，根据异常类型和异常前后的输出数值对故障原因进行分析，并保留异常时刻的波形数据，从而有效地鉴别水下短路故障和岸基电源自身故障，以及保留故障时刻的波形数据，供人工进行深入分析。
附图说明
图1为本发明岸基电源故障诊断系统模块划分及流程示意图；
图2为本发明数据的缓存和异常判定处理流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种用于水质在线观测网的岸基电源输出瞬态监测系统，包括前端采样模块、AD转换模块、FPGA、SDRAM、MCU、通信模块和上位机。
前端采样模块，其电压采样由并联电阻分压实现，电流采样由串联采样电阻实现，后端增加RC滤波电路，滤波截止频率为采样频率的一半。AD转换模块采用AD9226作为数模转换器，采样率为65MSPS。信号输入前通过运放搭建加法电路对信号进行升压，以满足输入范围要求。
AD转换的结果输入至FPGA，复制为3路处理，第一路输入至SDRAM做缓存(需先经过FIFO缓冲)，第二路进入异常判定模块做异常判定，第三路存入寄存器，MCU读取当前采样值时则通过并行通信接口发送该数据。
SDRAM缓存采用双FIFO作缓冲，即写入和读取时各有一个FIFO缓冲，记为Input FIFO和Output FIFO。数据从AD模块以65MHz的速率读入，同样以65MHz的速率写入Input FIFO。从Input FIFO读出的速率和写入SDRAM的速率一直为133MHz。数据读出时，从SDRAM中以133MHz的速率读出至Output FIFO，Output FIFO再供MCU读取。
FPGA与SDRAM模块的处理过程如图2所示，SDRAM的数据缓存方式为循环写入，即写至最后一个地址后，重新回到起始地址继续写入，以保持缓存数据永远是最新的。当异常判定模块发现异常后，记异常点为A，此时继续向采样并SDRAM中写入数据，写入量达到3/4SDRAM总容量时停止写入，记停止写入点为B，则此时A到B为异常点之后的数据，B到A为异常点之前的数据。然后从B点开始读取数据上传，重新回到B时读取结束，异常点前后的完整数据全部读出。
MCU采用STM32系列单片机，通过自带的FSMC控制器读取FPGA发送的采样数据；通过串口向FPGA的异常判定模块发送判定参数；通过IO口发送高低电平示意FPGA自己需要读取的是当前采样数据还是SDRAM中的缓存数据。FPGA未检测到异常时，MCU周期性地读取当前的采样数值，并发送至上位机。FPGA检测到异常时，MCU读取缓存于SDRAM中的异常点前后的数据，并发送至上位机。
MCU与上位机通信采用高速USB2.0或者百兆以太网的TCP传输，二者的特点是传输可靠、速度快、易于实现。首先USB通信或TCP通信都具有校验和错误重传的功能，保证可靠性；另外二者速率都比较快，高速USB2.0理论速率可达60MByte/s，百兆以太网速率可达12.5MByte/s；最后二者的通信协议都有相应的库文件，易于在MCU上实现，且大部分电脑上都具有此类接口，使用方便。
上位机将异常判定的参数发送至下位机，包括工作电压上限、工作电压下限、工作电流上限、电压变化率上限、电流变化率上限、未工作电压上限、未工作电流上限等。FPGA中的异常判定模块检测到电压和电流均低于未工作电压上限和未工作电流上限时，判定为未工作，不作为异常。当电压或电流或二者的变化率超出设定范围时，则判定为异常，通过串口发送异常类型，并上传异常点附近的波形数据。上位机根据异常类型和异常前后的电压电流数值作出故障类型判断，并发出相应的提示或告警。