基于DSP與CPLD的輸電線(xiàn)路局部氣象監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2．3 電源和時(shí)鐘電路

VC33的電源電路采用TI公司的雙電源應(yīng)用芯片TPS767D318。其外圍I／O工作電壓DVDD為3．3 V，而其核心的工作電壓CVDD為1．8 V。電源電路如圖2所示。

除了在正常運(yùn)行時(shí)工作電壓要穩(wěn)定外，VC33還要求上電過(guò)程中保證CVDD端電壓不能超過(guò)DVDD端電壓0．6 V，采用肖特基限位整流器DL5817來(lái)提供此安全保證。二極管D1和D2起到鉗位CVDD、DVDD兩個(gè)工作電壓的作用。在TPS767D318的電壓輸出端均接有較大容量的電容，用于處理電壓輸出起始階段非常大的暫態(tài)電流，以免燒壞VC33。VC33強(qiáng)化了時(shí)鐘配置功能，可提供多種時(shí)鐘工作方式。設(shè)計(jì)中用外部有源時(shí)鐘、內(nèi)部時(shí)鐘電路不啟振、內(nèi)部倍頻系數(shù)為1的時(shí)鐘工作方式。

2．4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)應(yīng)該監(jiān)測(cè)的基本參數(shù)包括：環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)。除了風(fēng)向外，其余都是模擬量。為了把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為能被VC33處理的離散的數(shù)字量，必須設(shè)計(jì)A／D轉(zhuǎn)換電路。

ADI公司的AD7874為自帶采樣／保持、4通道同時(shí)采樣、高精度的12位數(shù)據(jù)采集A／D芯片，適合水源熱泵工質(zhì)某點(diǎn)的溫度和壓力的同相位采集。其輸入信號(hào)范圍為±10 V，單通道采樣頻率可達(dá)29 kHz。AD7874輸入通道的多路復(fù)用通過(guò)選用Phillips公司的16選1多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)HEF4067來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于水源熱泵節(jié)能最優(yōu)控制為動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)控，且水源熱泵熱工動(dòng)態(tài)過(guò)程相對(duì)緩慢的特點(diǎn)，對(duì)各個(gè)模擬量采集頻率設(shè)定為24 Hz，即每秒24個(gè)點(diǎn)。

2．4．1 大氣壓力測(cè)量

大氣壓力測(cè)量泵的工質(zhì)壓力、水壓力到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換由Siemens公司的QBE620-P16壓力變送器實(shí)現(xiàn)。QBE620-P16既適用于氣體，也適用于液體，溫度工作范圍寬，適合輸電線(xiàn)路的惡劣運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。外加工作電壓范圍為DC 18～33 V，測(cè)量壓力范圍為0～232 psi。測(cè)量信號(hào)輸出DC 0～10 V，經(jīng)有源濾波和抗混疊電路后輸入AD7874，由AD7874完成A／D轉(zhuǎn)換。

一般認(rèn)為，壓力變送器的測(cè)量壓力與輸出直流信號(hào)之間的關(guān)系為線(xiàn)性變換，但實(shí)際上線(xiàn)性度并不為零。在壓力測(cè)量范圍較大時(shí)，由線(xiàn)性度引起的測(cè)量系統(tǒng)誤差不能忽略，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2．4．2 環(huán)境溫度測(cè)量

輸電線(xiàn)路覆冰與溫度緊密相關(guān)，溫度的測(cè)量精度直接決定著覆冰預(yù)測(cè)的精度。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選三線(xiàn)制Pt100鉑電阻溫度傳感器，按照國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90：

其中，RPt為Pt100的電阻值，T為溫度。電阻信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)后才能進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。采用三線(xiàn)制熱電阻，是因?yàn)槿€(xiàn)制可消除長(zhǎng)線(xiàn)引起的附加電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。

圖3為高精度溫度測(cè)量電路。熱電阻阻值必須轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)才能輸入A／D電路。XTR103為BURR-BROWN公司生產(chǎn)的以Pt100熱敏電阻 (或其他類(lèi)型)為激勵(lì)、輸出4～20 mA直流電流的高靈敏度變送器。其內(nèi)部集成的二階校正線(xiàn)性化電路能夠?qū)崿F(xiàn)Pt100阻值到直流電流的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、工廠(chǎng)自動(dòng)化、 SCADA等領(lǐng)域。精密電流／電壓轉(zhuǎn)換器RCV420實(shí)現(xiàn)直流電流到直流電壓的轉(zhuǎn)換。

XTR103輸出電流信號(hào)IO與Pt100阻值RPt的函數(shù)關(guān)系為：

其中，IO為輸出電流信號(hào)，在4～20 mA范圍內(nèi)；RG為XTR103的量程電阻；Rz為基準(zhǔn)電阻。考慮熱泵運(yùn)行工況，要選擇合適的量程電阻和基準(zhǔn)電阻，以設(shè)定合適的溫度測(cè)量范圍。選擇 RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以確定溫度測(cè)量范圍為-50．77～132．55℃，能夠滿(mǎn)足我國(guó)輸電線(xiàn)路環(huán)境溫度測(cè)量范圍的要求。

為了提高溫度測(cè)量精度，除了采用圖3所示的高精度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路外，還必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題：

①鉑電阻的阻值一溫度特性校準(zhǔn)。式(1)給出的是額定特性，實(shí)際的鉑電阻存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的分散性，因此必須校準(zhǔn)每個(gè)鉑電阻的阻值-溫度特性。

②鉑電阻元件的熱滯后(thermal lag)問(wèn)題。熱滯后問(wèn)題由元件與環(huán)境的換熱熱阻以及元件自身的熱容共同引起。鉑電阻元件由鉑電阻絲和不銹鋼封裝外殼組成，在高溫應(yīng)用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細(xì)、質(zhì)量小，可忽略其熱惰性。

2．4．3 風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量

風(fēng)速的測(cè)量關(guān)鍵是要把風(fēng)速參數(shù)轉(zhuǎn)換成能被A／D電路處理的電信號(hào)，由風(fēng)速／風(fēng)向傳感器來(lái)完成。本文選用風(fēng)速／風(fēng)向傳感器EA-V200，其風(fēng)速測(cè)量范圍為 0～50 m／s，輸出信號(hào)為抗干擾能力強(qiáng)的直流電流4～20 mA。此直流信號(hào)由A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再由VC33處理。

風(fēng)向測(cè)量由EA-V200給出8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入來(lái)表示不同的風(fēng)向。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)定Microcomputer／Bootloader為VC33的運(yùn)行模式。運(yùn)行前程序存放在存取速度較低的Flash中，系統(tǒng)復(fù)位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速運(yùn)行。本文只簡(jiǎn)單介紹軟件的功能。程序從結(jié)構(gòu)上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。

主程序包括：

①系統(tǒng)初始化程序。設(shè)置外部存儲(chǔ)器接口、串口、定時(shí)器、中斷、中斷向量表、鍵盤(pán)接口等參數(shù)，確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

②數(shù)據(jù)處理程序。把A／D轉(zhuǎn)換后的離散化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的溫度、壓力、工質(zhì)質(zhì)量流量，剔除不良數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的高頻噪聲濾波，最終得到反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際工況的狀態(tài)量等。

中斷服務(wù)程序包括：

①A／D采集程序。完成所有模擬量的12位采集。根據(jù)熱力傳感器的特點(diǎn)，采樣頻率每路均設(shè)為24 Hz。A／D采集程序占用VC33的INT0中斷。

②鍵盤(pán)掃描程序。當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)，讀取按鍵編碼。占用VC33的INT2中斷。

③控制量驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸出或模擬量輸出。由VC33的TIMER0的定時(shí)器中斷來(lái)提供這些控制驅(qū)動(dòng)的周期。具體控制策略要根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)確定。

④通信程序。實(shí)現(xiàn)LCD顯示、與PC通信的功能。占用VC33的定時(shí)器中斷。

4 總 結(jié)

基于DSP的輸電線(xiàn)路局部氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置能夠分散安裝在輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)桿塔上，實(shí)時(shí)測(cè)量氣象參數(shù)，包括環(huán)境溫度和濕度、大氣壓力、風(fēng)速等。這些參數(shù)皆與輸電線(xiàn)路覆冰預(yù)測(cè)、脫冰跳躍、風(fēng)舞及控制等緊密相關(guān)，可以向調(diào)度中心提供線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)信息。本裝置的設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科內(nèi)容，現(xiàn)總結(jié)設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)：

①根據(jù)輸電線(xiàn)路的實(shí)際運(yùn)行工況選擇合適的傳感器或變送器。注意與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合，合理布置傳感器或變送器的數(shù)量和測(cè)點(diǎn)。

②VC33與外設(shè)的時(shí)序控制問(wèn)題。對(duì)慢速的外部擴(kuò)展設(shè)備，僅僅設(shè)計(jì)合適的訪(fǎng)問(wèn)等待狀態(tài)是不夠的(如A／D芯片，其片選信號(hào)無(wú)效后數(shù)據(jù)總線(xiàn)的封鎖仍需相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間)，還必須仔細(xì)研究外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序，設(shè)計(jì)相應(yīng)的封鎖電路，以免造成總線(xiàn)沖突使得系統(tǒng)無(wú)法工作。

③系統(tǒng)的抗電磁干擾問(wèn)題?；赩C33的系統(tǒng)是高速系統(tǒng)，電磁干擾問(wèn)題尤其嚴(yán)重，特別對(duì)時(shí)鐘線(xiàn)要進(jìn)行良好的屏蔽。對(duì)高頻信號(hào)線(xiàn)要注意傳輸線(xiàn)距離、匹配電阻設(shè)計(jì)、印制電路板布線(xiàn)形狀等問(wèn)題。采用多層布線(xiàn)板對(duì)抗電磁干擾有益處，但成本會(huì)增加。

基于DSP的輸電線(xiàn)路局部氣象在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置充分發(fā)揮了“DSP+CPLD”體系的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫度、大氣壓力、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)的多通道采集、數(shù)據(jù)處理、自然災(zāi)害預(yù)警等功能，對(duì)提高輸電線(xiàn)路乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。