500KV光學電壓電流傳感器數(shù)字信號處理系統(tǒng)

摘   要： 本文介紹了利用TMS320C542芯片進行500KVOMU (Optical Metering Unit) 中數(shù)字信號處理的新方案，并對該方案的定點DSP系統(tǒng)的硬件設(shè)計、外圍芯片設(shè)計、OMU系統(tǒng)軟件算法作了詳細講述。最后給出了整個OMU系統(tǒng)的整體性能和測試結(jié)論。
關(guān)鍵詞： 光學電壓電流傳感器；  TMS320C542
引 言
隨著電力系統(tǒng)的容量和傳輸?shù)碾妷旱燃夁M一步增大，傳統(tǒng)的CT(Current Transformer)、PT(Potential Transformer)呈現(xiàn)出易受電磁干擾，體積大，重量重，造價高等自身不可克服的問題。因此為了適應電力系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種新型的OCT(Optical Current Transducer)、OVT(Optical Voltage Transducer)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CT、PT。其中，OCT利用磁致旋光效應，即法拉第效應，OVT利用Pockels效應和偏光干涉原理構(gòu)成的系統(tǒng)以獲得強度受外加電場(電壓)調(diào)制的光，由此可測出外加電場(電壓)的大小。由OCT和OVT組成的OMU有著傳統(tǒng)PT/CT無法比擬的優(yōu)點，如：具有抗電磁干擾、絕緣性能好等。這些優(yōu)點符合未來電站、變電所發(fā)展的需要，同時OCT、OVT運行安全可靠，不會爆炸，還可以節(jié)約大量的銅和矽鋼片，社會效益明顯。
本文以現(xiàn)有500KV的OMU為例，詳細論述了光學電壓電流傳感器中的新型數(shù)字信號處理技術(shù)，并將現(xiàn)代數(shù)字信號處理器用于該新型傳感器中。

圖1    DSP系統(tǒng)框架

系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于OMU中OCS和OVS的檢測方法，并結(jié)合實際測量中的具體情況，考慮到模擬電路易受環(huán)境溫度和外部電磁干擾影響，我們盡可能地減少模擬電路環(huán)節(jié)，并采用TMS320C542DSP數(shù)字信號處理器作為核心處理器，以提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性。
當信號經(jīng)模擬電路處理后，送至DSP， 經(jīng)DSP處理，數(shù)據(jù)輸出至PC機進行數(shù)據(jù)的管理，信號也可以輸出至兩路D/A濾波，得到兩路模擬輸出以供互感器校驗儀校驗。整個DSP系統(tǒng)的方案設(shè)計如圖1所示。
由于OMU的最后輸出檢驗需經(jīng)過互感器校驗儀進行校驗，因此我們在DSP系統(tǒng)中設(shè)計了兩路模擬輸出。由于C542具有兩個串口，且兩個串口都可以作為標準串口使用，因此我們利用這兩個串口與串行D/A進行接口，后接濾接器進行平滑濾波，得到最終的模擬輸出以供互感器校驗儀校驗。在此，我們選用14位串行D/A MAX545，D/A后接的濾波器選用UAF42。

圖2  軟件算法框圖

系統(tǒng)輸入信號由11路模擬信號組成，它們分別為電壓和電流傳感器的兩組信號和系統(tǒng)溫度量，所以電壓和電流傳感頭均采用雙光路方案。存貯器選用兩片27C256構(gòu)成32K、16位ROM，又因為C542片內(nèi)含有10KB DRAM，而10KB DRAM相對于整個OMU數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運行所需程序和數(shù)據(jù)空間已經(jīng)足夠，故不需外掛高速RAM，這樣直接提高了系統(tǒng)的性能。
但應注意，在DSP硬件系統(tǒng)調(diào)試前，應確保給實驗板供電的電源有良好的恒壓、恒流特性。尤其是，DSP的入口電壓應保持在5.0+/-0.05V。電壓過低，則通過JTAG接口向Flash寫入程序時，會出現(xiàn)錯誤提示；電壓過高，則會損壞DSP芯片。另外，由于在調(diào)試時要頻繁對實驗板接電和斷電，若電源質(zhì)量不好，則很可能在突然上電時因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會造成經(jīng)濟損失，又將影響開發(fā)進度。因此，在調(diào)試前應高度重視電源的選擇，同時在調(diào)試過程中應經(jīng)常檢查電源是否正常。此外，DSP、片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器接入電源前，應加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。同時，可在DSP與片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器等關(guān)鍵部分周圍布上電網(wǎng)，以減少外界干擾。

系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件分為上位機和下位機兩大部分，下位機以DSP為中心，采集信號，經(jīng)過FIR濾波，進行有效值計算，并將數(shù)據(jù)送至PC。而上位PC機進行OCT電流和參考電流有效值的比差計算，以及OCT光功率的計算、存儲、顯示。軟件算法框圖如圖2所示。
上位機和下位機之間的通信采用異步串行通信傳輸。傳輸時，發(fā)收雙方應按照所共同遵循的協(xié)議進行初始化。DSP對UART的初始化，主要為按照協(xié)議對8251A內(nèi)部命令寄存器的初始化，在此我們采用起止式異步通信協(xié)議，選定模式為：傳輸速率9600b/s，1位停止位，無校驗，字符長度8位，波特率系數(shù)16。
在上位機我們采用了VB6.0軟件平臺設(shè)計串行通信程序，而使用Mscomm.VBx用戶控件來進行串行通信的關(guān)鍵是正確設(shè)置其中的一些屬性。在VB6.0中的通信程序設(shè)計中，我們設(shè)計了一個數(shù)據(jù)接收主窗口，在接收窗口中對串口進行初始化和利用定時時鐘對數(shù)據(jù)進行定時查詢接收。
軟件設(shè)計中值得注意的問題
(a) 關(guān)于對外設(shè)的初始化和對外設(shè)的訪問：由于DSP是高速設(shè)備，所以選擇外設(shè)時應注意外設(shè)的選通訪問時間和讀取時間，以及DSP對外設(shè)的控制字在外設(shè)中的轉(zhuǎn)化時間。否則會造成DSP對外設(shè)不能訪問或外設(shè)工作不正常，從而導致系統(tǒng)無法工作或工作不穩(wěn)定。
(b) 在中斷服務程序中的堆棧和出棧及程序保護：在中斷服務程序或子程序中，由于一般情況下會調(diào)用和修改DSP的內(nèi)部寄存器，如果在程序運行過程中觸發(fā)了中斷而執(zhí)行了中斷服務程序，將會導致修改某些DSP內(nèi)部寄存器的內(nèi)容或狀態(tài)。在執(zhí)行完中斷服務程序或子程序后，再回到原來程序中，由于被修改的寄存器內(nèi)容與進入中斷服務程序前的相應寄存器的內(nèi)容不一致，將導致程序的錯誤運行。所以應在中斷服務程序和子程序進入時，壓棧將被修改的寄存器及保護相關(guān)需保護的內(nèi)容。而在中斷服務程序和子程序結(jié)束前，出棧和恢復相關(guān)保護內(nèi)容，以使主程序正常執(zhí)行。
(c) 流水線沖突及相關(guān)解決辦法：由于C54XDSP使用六級流水線和增強型哈佛結(jié)構(gòu)，在DSP中使用一條program read bus(PB)，兩條data_read buses(CB, DB)和一條data_write bus(EB)，以及4條address buses (PAB, CAB, DAB, EAB)以增強內(nèi)部并行操作，當內(nèi)部兩條指令同時訪問同一條數(shù)據(jù)線或地址線時，將會造成流水線沖突，這時有效的解決辦法是將這兩條相鄰指令間加入NOP語句以避免流水線沖突，這種解決方法當程序無邏輯錯誤而又運行不正常時是行之有效的。

結(jié)語
本課題對該OMU進行了整機測試，對于每一套測量系統(tǒng)來講，線性度是整個系統(tǒng)性能的重要指標，而對于OMU實質(zhì)上就是利用電偏置法等建立電場與光場之間的線性關(guān)系。經(jīng)試驗驗證，該光電互感器具有很好的線性度。由于DSP高速處理器的采用，使得整個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的電路環(huán)節(jié)尤其是模擬電路環(huán)節(jié)大大簡化和系統(tǒng)集成度大大提高，從而使得整個系統(tǒng)的溫漂減少。系統(tǒng)集成度提高的直接結(jié)果是將每相電壓、電流由原來分開測量發(fā)展到三相電壓電流集成到一個DSP信號處理系統(tǒng)中進行測量處理，從而提高了系統(tǒng)的性能價格比，并且使得系統(tǒng)的升級和更新?lián)Q代變得更為靈活和方便。■

參考文獻
1  李紅斌,劉延冰,張衛(wèi)軍.光學電流傳感器的研究進展.電工技術(shù)雜志.No.1 1987
2  TMS320C54X DSP: Applications Guide，1999, TEXAS INSTRUMENTS
3  姚天任.《數(shù)字信號處理》.華中理工大學出版社.1990