光纤电压传感的DSP实现

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光纤电压传感的DSP实现

    如何有效可靠地监测供电网的运行状态，是一个重要的课题。如现代化高速电气铁路的供电安全是高速列车行车的重要保证。近年出现的光纤电压传感器，具有抗电磁干扰、测量精度高、耐过压、安全、可靠等优点。因而很适合对高压进行监测。但在高压监测时，对实时性和精度的要求很高，其波形输入、输出的相移应小于1o，精度应控制在±1%。以前数据处理单元芯片选用的是80C196型单片机，但是由于该芯片在精度和速度上的一些限制，使得传感器系统勉强能满足部分指标，功能与计算速度尚不如人意。为了提高系统的技术指标和增加新的功能，我们采用TI公司专用数字信号处理(DSP）芯片TMS320C31作为数据处理单元的核心。
TMS320C3X是TI的第一代浮点DSP芯片。TMS320C3X中目前具有TMS320C30、 TMS320C31和TMS320C32三种。TMS320C31是TMS320C30的简化和改进型，它在TMS320C30的基础上去掉了一般用户不常用的一些资源，降低了成本，是一个性能价格比较高的浮点处理器，在国内已得到了较广泛的应用。
C31具有不同于一般处理器的硬件结构，由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，使DSP芯片的指令周期在200ns以下。指令周期根据时钟频率不同可分为 33/40/50/60/74ns
我们采用BGO传感器，在不加电时，BGO晶体属于立方晶体，是各向同性介质，当在BGO晶体的(110)镜面加电压时，由于Pockels效应，晶体将变成双轴晶体，两主轴方向的折射率差与加在晶体上的电压成正比，当以(110)方向沿两折射率主轴各通过一线偏振光时，它们之间的最大相位差可表示为
(1)式中：f——电光效应产生的相位差，l—真空波长n0—晶体的真空折射率，r41—电光系数，l—传光方向的晶体长度，U—外加电压，d—电场方向的晶体长度，为半波电压，它仅与晶体和入射光波长有关。代入n0=2.07，r41=1.03×10-10cm/V，l=0.82mm，d=8mm，ｌ=10mm，可以有得到半波电压Up=37KV。由(1)式可见，f正比于被测电压。我们可以通过检测f求得被测电压。
系统构成如图1所示，光发射的驱动电路产生等幅占空比为50%的连续方波，经LED变成光脉冲序列，被测电压在传感头上对光脉冲序列进行调制，成为调幅脉冲序列，该信号经光纤到达探测器，探测器将它变成电信号，信号处理电路将探测器提供的电信号进行放大滤波，再由TMS320C31处理后得到即时波形、有效值和频谱图。
DSP信息处理单元主要完成信号的滤波、计算、FFT变换、以及输出的任务，现在就其硬件和软件的结构、工作过程分别进行介绍。
图2 中，光电转换后的模拟信号，经过直流放大等预处理后，进入A/D转换芯片TLC32044,数据流通过串行口进入C31芯片，在C31中，信号主要完成噪声滤除、FFT变换、有效值计算等变换，并将计算结果输出到相应的输出设备上。
其中EPROM 27512 主要完成初始化的数据和固化好的程序；快速RAM 7C199可以满足大型程序的无等待运行；双口RAM 7C133,暂存C31的输出数据，负责DSP和PC的通信工作；TLC32044是高精度A/D、D/A转换芯片，负责系统的输入A/D以及输出D/A的转换工作。
自引导程序是C31自带的程序，它负责系统上电后，把需要实时运行的程序和数据从外部的低速EPROM中装入；自引导程序运行完毕后，程序开始运行，首先控制TLC32044把模拟信号转化为数字信号，并且从串行口输入；对输入的信号进行滤波，除去带内噪声；接着把信号直接送到串行口输出，经过D/A 转换后，用示波器观察实时波形；同时每100个周期运行一次有效值计算程序，并将结果送到LED显示；滤噪后的信号进行FFT变换，运行FFT程序，和运行并行口输出程序，把结果送到双口RAM中；接着PC机通过ISA槽从双口RAM中读取频谱数据，并运行显示程序，将频谱显示。
铁路供电网的电流基频为50Hz, 电流的带宽按20倍频计算为1000Hz,因此A/D转换的采样频率设为5000Hz足够用，一帧信号的周期为200ms,这就需要在200ms内完成所有的DSP运算；我们采用DSP TMS320C31芯片的单指令周期为40ns，它的运算能力为25MIPS(每秒执行百万条指令)，这样一帧内可以完成25MIPS× 200ms=25,000次运算 ，考虑系统的各项指标要求，一帧内完成2.5万的指令足以满足系统的时延要求；而且C31采用浮点运算，可以保证计算精度，另外还有高精度的A/D转换器，这样就可以达到±1%的精度；另外直流放大器，A/D转换器都是高速、低延迟芯片，这样就可以满足线性度优于1%，优于时延小于1°的指标要求。
由此可见采用DSP技术的光纤电压传感器，只要合理设计软硬件，完全可以达到实际测量仪表的指标要求。据文献报道：国外的光纤电压传感器相移角已经接近1o，远远优于互感器，可以肯定，光纤电压传感器的研究和发展，将对高电压的精确测量和控制产生重大的影响。

李小路

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