AFCI 應用筆記二之數據采集

1. 簡(jiǎn)介

基于監督學(xué)習的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法需要大量數據作為輸入，模型完全由數據驅動(dòng)，其數據質(zhì) 量是算法有效的必要條件，所以如何高效的采集到數據，以及正確的標注或分析是極其重要的，如果第一步有問(wèn)題，后續的所有工作都是徒勞。

本文將介紹 PECC 的數據采集板，以及來(lái)自 GPM China 的數據采集工具，簡(jiǎn)單分析數據質(zhì)量的一些方法，以及需要注意的一些事項。

圖1. PECC 硬件 V1.0

2. 上位機介紹

圖2. 上位機主界面

2.1. 打開(kāi)串口

單擊①找到相應的串口號，并通過(guò)②選擇合適的波特率，點(diǎn)擊③打開(kāi)串口。注意：

1.   如果連接設備是串口+USB 虛擬串口，則需要選擇正確的波特率才能正常通訊。

2.  如果連接設備是 USB 虛擬串口（比如 PECC 的開(kāi)發(fā)板），則波特率可以隨便選擇。

2.2. 數據采集

通過(guò)④設置標簽，⑤設置采樣率（最高 400KHz），⑥設置采樣時(shí)間，⑦選擇通道（目前 上位機支持四個(gè)通道），選擇⑧開(kāi)始數據采集。

2.2.1.     數據標注方法與原則

1. ④中設置的是文件標簽，也可以理解為文件保存路徑，python 腳本會(huì )根據保存的文 件路徑來(lái)給數據進(jìn)行打標。

2. 文件夾中必須有且僅有 “Arc”“Normal”字符串，大小寫(xiě)無(wú)關(guān)。其中“Arc”，表 示該文件夾下的數據全為有弧信號； “Normal”，表示該文件夾下的數據全為無(wú)弧 信號。參看下文一個(gè)比較好的數據標注的例子。

3. “Normal”信號的采集。無(wú)弧信號采集較簡(jiǎn)單，只需要關(guān)注不同的采集條件，讓數 據分布更廣即可。為了確保無(wú)弧，所有線(xiàn)頭連接部分必須保證充分接觸，防止接觸 不良導致接頭內部產(chǎn)生電弧，而肉眼無(wú)法看到的情況發(fā)生，拉弧機兩端最好有接示 波器，電壓必須為 0，以確保拉弧機接頭內部沒(méi)有肉眼無(wú)法看到的電弧。

4. “Arc”信號的采集。為了保證采集到的數據全部為有弧信號，需要先打開(kāi)拉弧機產(chǎn) 生電弧，再點(diǎn)擊⑧開(kāi)始采集，待上位機采集完成，再斷開(kāi)拉弧機。

5. 由于拉弧與非常多的因素相關(guān)，所以數據采集應當在各個(gè)不同條件下采集。目前已 知能影響拉弧效果的因素包括且不限于：是否有關(guān)斷器，是否有優(yōu)化器，電流等級， 逆變器通道，硬件采集電路，拉弧距離等。在數據標注時(shí)，需要對這些情況進(jìn)行相 應的標注，方便以后分析。電流等級可以以 2-3A 為一個(gè)步長(cháng)采集所有電流等級內的 數據。

6. 采集時(shí)長(cháng)或數據大小。沒(méi)有明確規定的大小，建議每個(gè)電流等級總時(shí)長(cháng)不低于 30s。 同一條件也不建議太大，因為數據量太多可能導致內存不足，無(wú)法訓練或訓練時(shí)間 過(guò)長(cháng)。

2.2.2.     數據文件夾

1.  文件夾設置好后，采集數據，會(huì )自動(dòng)在上位機同目錄下生成文件夾。

2.  在 Chart 頁(yè)面下，左鍵點(diǎn)擊文件夾會(huì )將文件夾路徑更新到④中，方便采集

2.2.3.     采集板供電

PECC 板子使用 USB 供電，可以連接筆記本，但是 USB 供電會(huì )引入工頻噪聲，在采集 階段和驗證階段，必須保證環(huán)境的一致性，所以在采集和驗證階段都需要使用統一的設備進(jìn) 行供電，不能切換電腦或電源。建議使用同一臺電腦采集數據和驗證，并且連接電源，不使 用電池。

圖3. 數據標注

圖4. 數據采集 Log

2.2.4.     采集日志

1.   Log 信息會(huì )自動(dòng)保存在上位機同目錄下，以當前時(shí)間作為文件名，以.log 作為結尾。

2. 如果 Log 信息中，出現了丟包或其他錯誤信息，最好刪掉采集保存下來(lái)的這條數據。 從上文數據采集 log 中，可以看出

① ：400KHz 采樣率下，數據有丟包。那么，可以在 Chart 界面下，找到該條數據，點(diǎn)擊 delete 刪除。

② ： 400KHz 正常的數據采集 Log。

目前，僅在 400KHz 采樣率下，發(fā)現小概率有丟包情況，其他情況未發(fā)現，未來(lái)提高

USB 通信速率應該可以解決該問(wèn)題，不過(guò)串口通訊仍然有誤碼率的可能性。

2.3. 數據分析

2.3.1.     數據顯示

圖5. Chart 頁(yè)面

1．點(diǎn)擊采集到的數據①，會(huì )在右邊繪制出波形圖。

2．②：時(shí)域圖形，橫坐標表示采樣點(diǎn)數，縱坐標表示 ADC 值。③：頻域圖形，橫坐標表 示 N × 采樣率，如果采樣率為 250KHz，則 0.5 表示 125KHz，縱坐標表示幅值。

3．設置幀長(cháng)⑤，拖動(dòng)④可以看到不同幀長(cháng)窗口下的時(shí)域和頻域圖形。

2.3.2.     數據對比

圖6. 上位機軟件的時(shí)域和頻域對比功能

1. 選擇①痕跡，再選擇其他數據文件，則可以對比不同數據的波形，上圖為有弧和無(wú)弧 信號的對比。

2. 檢查②時(shí)域部分：查看是否有異常點(diǎn)，是否有樣本點(diǎn)超過(guò)最大幅值的情況，中心點(diǎn)是 否在 2048 附近（12 位 ADC 最大值為 4096，中心點(diǎn)為 2048），可以看出硬件是否 有設計問(wèn)題，比如放大倍數不正確，或者中心點(diǎn)不正確。還可以和示波器進(jìn)行對比， 看采集到的數據是否和示波器上的一致，來(lái)檢查硬件或固件。

3. 檢查③頻域部分：查看濾波器的濾波范圍是否正確，限波點(diǎn)是否正確，上圖可以看到 數據在相對低頻部分有比較好的分辨能力。

2.4. 在線(xiàn)識別

圖7. 識別結果

選擇好①采樣率和③通道，點(diǎn)擊開(kāi)始識別，就可以讓開(kāi)發(fā)板進(jìn)入 AFCI 識別模式，識別中會(huì )輸出 圖中④類(lèi)似的 Log 信息，表示采樣率已經(jīng)設置為 250KHz，CH2 通道已經(jīng)打開(kāi)，并輸出了 normal 和 arc 的百分比信息，代表是的無(wú)弧和有弧的概率。

2.5. 文件驗證

文件驗證功能指的是將采集到的 csv 格式的原始數據文件，下載到開(kāi)發(fā)板中，進(jìn)行驗證， 從而判斷固件部分 AI 功能是否正常，如果固件和模型正確，輸出結果應當和標記的內容一樣。

圖8. 文件驗證

圖9. Log 信息

圖 8：在 Chart 界面下，選擇需要驗證的文件，雙擊會(huì )彈出驗證對話(huà)框，點(diǎn)擊 Yes 進(jìn)行驗證。 

圖 9：顯示的輸出結果信息，以及剩余驗證數據，通道信息可忽略，因為數據是從上位機下載的 和通道無(wú)關(guān)。

2.6. 通訊協(xié)議

在 Note 界面下，有相應的串口通訊協(xié)議和 Release 信息。

圖10. Note 界面

3. 總結

數據采集和標注是做好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的第一步，需要格外小心和謹慎，不然其中有臟數據，通 過(guò)肉眼十分難以清理出來(lái)，臟數據過(guò)多會(huì )導致模型泛化能力很差。

其中一個(gè)辦法是用模型對所有數據進(jìn)行驗證，然后挑選出驗證結果失敗的數據，然后 Plot 出來(lái)。若通過(guò)肉眼分辨，其工作量非常巨大和繁瑣，還是應當在數據收集的過(guò)程中保證數據 的有效性。

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