光纖電壓傳感的DSP實(shí)現(xiàn)

如何有效可靠地監(jiān)測(cè)供電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，是一個(gè)重要的課題。如現(xiàn)代化高速電氣鐵路的供電安全是高速列車行車的重要保證。近年出現(xiàn)的光纖電壓傳感器，具有抗電磁干擾、測(cè)量精度高、耐過(guò)壓、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)。因而很適合對(duì)高壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但在高壓監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)性和精度的要求很高，其波形輸入、輸出的相移應(yīng)小于1o，精度應(yīng)控制在±1%。以前數(shù)據(jù)處理單元芯片選用的是80C196型單片機(jī)，但是由于該芯片在精度和速度上的一些限制，使得傳感器系統(tǒng)勉強(qiáng)能滿足部分指標(biāo)，功能與計(jì)算速度尚不如人意。為了提高系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和增加新的功能，我們采用TI公司專用數(shù)字信號(hào)處理(DSP）芯片TMS320C31作為數(shù)據(jù)處理單元的核心。

TMS320C3X是TI的第一代浮點(diǎn)DSP芯片。TMS320C3X中目前具有TMS320C30、 TMS320C31和TMS320C32三種。TMS320C31是TMS320C30的簡(jiǎn)化和改進(jìn)型，它在TMS320C30的基礎(chǔ)上去掉了一般用戶不常用的一些資源，降低了成本，是一個(gè)性能價(jià)格比較高的浮點(diǎn)處理器，在國(guó)內(nèi)已得到了較廣泛的應(yīng)用。

C31具有不同于一般處理器的硬件結(jié)構(gòu)，由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使DSP芯片的指令周期在200ns以下。指令周期根據(jù)時(shí)鐘頻率不同可分為 33/40/50/60/74ns

我們采用BGO傳感器，在不加電時(shí)，BGO晶體屬于立方晶體，是各向同性介質(zhì)，當(dāng)在BGO晶體的(110)鏡面加電壓時(shí)，由于Pockels效應(yīng)，晶體將變成雙軸晶體，兩主軸方向的折射率差與加在晶體上的電壓成正比，當(dāng)以(110)方向沿兩折射率主軸各通過(guò)一線偏振光時(shí)，它們之間的最大相位差可表示為

(1)式中：f——電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差，l—真空波長(zhǎng)n0—晶體的真空折射率，r41—電光系數(shù)，l—傳光方向的晶體長(zhǎng)度，U—外加電壓，d—電場(chǎng)方向的晶體長(zhǎng)度，為半波電壓，它僅與晶體和入射光波長(zhǎng)有關(guān)。代入n0=2.07，r41=1.03×10-10cm/V，l=0.82mm，d=8mm，ｌ=10mm，可以有得到半波電壓Up=37KV。由(1)式可見，f正比于被測(cè)電壓。我們可以通過(guò)檢測(cè)f求得被測(cè)電壓。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，光發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生等幅占空比為50%的連續(xù)方波，經(jīng)LED變成光脈沖序列，被測(cè)電壓在傳感頭上對(duì)光脈沖序列進(jìn)行調(diào)制，成為調(diào)幅脈沖序列，該信號(hào)經(jīng)光纖到達(dá)探測(cè)器，探測(cè)器將它變成電信號(hào)，信號(hào)處理電路將探測(cè)器提供的電信號(hào)進(jìn)行放大濾波，再由TMS320C31處理后得到即時(shí)波形、有效值和頻譜圖。

DSP信息處理單元主要完成信號(hào)的濾波、計(jì)算、FFT變換、以及輸出的任務(wù)，現(xiàn)在就其硬件和軟件的結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程分別進(jìn)行介紹。

圖2 中，光電轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)直流放大等預(yù)處理后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC32044,數(shù)據(jù)流通過(guò)串行口進(jìn)入C31芯片，在C31中，信號(hào)主要完成噪聲濾除、FFT變換、有效值計(jì)算等變換，并將計(jì)算結(jié)果輸出到相應(yīng)的輸出設(shè)備上。

其中EPROM 27512 主要完成初始化的數(shù)據(jù)和固化好的程序；快速RAM 7C199可以滿足大型程序的無(wú)等待運(yùn)行；雙口RAM 7C133,暫存C31的輸出數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)DSP和PC的通信工作；TLC32044是高精度A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的輸入A/D以及輸出D/A的轉(zhuǎn)換工作。

自引導(dǎo)程序是C31自帶的程序，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后，把需要實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)從外部的低速EPROM中裝入；自引導(dǎo)程序運(yùn)行完畢后，程序開始運(yùn)行，首先控制TLC32044把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并且從串行口輸入；對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行濾波，除去帶內(nèi)噪聲；接著把信號(hào)直接送到串行口輸出，經(jīng)過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換后，用示波器觀察實(shí)時(shí)波形；同時(shí)每100個(gè)周期運(yùn)行一次有效值計(jì)算程序，并將結(jié)果送到LED顯示；濾噪后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，運(yùn)行FFT程序，和運(yùn)行并行口輸出程序，把結(jié)果送到雙口RAM中；接著PC機(jī)通過(guò)ISA槽從雙口RAM中讀取頻譜數(shù)據(jù)，并運(yùn)行顯示程序，將頻譜顯示。

鐵路供電網(wǎng)的電流基頻為50Hz, 電流的帶寬按20倍頻計(jì)算為1000Hz,因此A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率設(shè)為5000Hz足夠用，一幀信號(hào)的周期為200ms,這就需要在200ms內(nèi)完成所有的DSP運(yùn)算；我們采用DSP TMS320C31芯片的單指令周期為40ns，它的運(yùn)算能力為25MIPS(每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令)，這樣一幀內(nèi)可以完成25MIPS× 200ms=25,000次運(yùn)算 ，考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，一幀內(nèi)完成2.5萬(wàn)的指令足以滿足系統(tǒng)的時(shí)延要求；而且C31采用浮點(diǎn)運(yùn)算，可以保證計(jì)算精度，另外還有高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣就可以達(dá)到±1%的精度；另外直流放大器，A/D轉(zhuǎn)換器都是高速、低延遲芯片，這樣就可以滿足線性度優(yōu)于1%，優(yōu)于時(shí)延小于1°的指標(biāo)要求。

由此可見采用DSP技術(shù)的光纖電壓傳感器，只要合理設(shè)計(jì)軟硬件，完全可以達(dá)到實(shí)際測(cè)量?jī)x表的指標(biāo)要求。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道：國(guó)外的光纖電壓傳感器相移角已經(jīng)接近1o，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于互感器，可以肯定，光纖電壓傳感器的研究和發(fā)展，將對(duì)高電壓的精確測(cè)量和控制產(chǎn)生重大的影響?！?/font>