光電轉換電源控制系統的設計(圖)

光電轉換電源是一種基于光供能的、采用光纖傳輸的、輸出電壓值不受電網(wǎng)波動(dòng)影響的穩壓源。它是光傳能技術(shù)中的關(guān)鍵部件，具有良好的抗電磁干擾、抗輻射干擾的性能，是一種安全、潔凈的電能裝置。

光電轉換電源的主要應用是混合式光纖電流互感器的供電電源，我們將以混合式光纖電流互感器作為光電轉換電源的負載來(lái)說(shuō)明光電轉換電源數字穩壓控制系統的硬件實(shí)現方法。

系統總體結構

圖1為光電轉換電源的總體結構?？刂剖因寗?dòng)半導體激光器發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)耦合器耦合到多模光纖中，從而傳輸到測量現場(chǎng)；光能在現場(chǎng)通過(guò)光電轉換器件轉化為電能，供給有源器件。雖然在半導體激光器的驅動(dòng)電路中已經(jīng)加入了相應的穩壓或穩流電路，但是光電轉換電源主要應用于遠端的電子器件。這樣，在光由控制端傳輸到現場(chǎng)的過(guò)程中會(huì )有損耗，而光電轉換器件的轉換效率與環(huán)境溫度等因素有關(guān)，光纖電流互感器的負載也會(huì )發(fā)生不規則變化，這些就會(huì )導致高壓側光電轉換后的電壓達不到系統正常工作的要求，從而影響系統的正常工作，甚至損壞器件。

圖1 系統總體結構框圖

我們可以采用反饋控制的思想來(lái)滿(mǎn)足系統要求。根據控制論中有關(guān)反饋控制的理論可知，反饋控制系統由數據采集系統和數據處理系統組成。由于采集的是遠離控制室的參量，因而應有一個(gè)通信系統可以使采集的量傳回控制室，如采用光纖通信系統。

數據采集系統硬件設計

數據采集部分的主要任務(wù)就是采集高壓側(或遠離控制室)的電量，經(jīng)過(guò)濾波后傳回控制室。這部分包括了微處理器和A/D轉換器，而數字量的傳輸以光纖為主。綜合考慮系統性能、工作環(huán)境及經(jīng)濟效益等因素，選取單片機89C2051為主控制器。系統中，數據采集部分的功耗是必須要考慮的，故采集部分的核心器件A/D轉換器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D轉換器AD7705。

AD7705在工作過(guò)程中容易出現端口迷失的現象，為確保它可以正常地工作，還加入了專(zhuān)用看門(mén)狗芯片X5045。

89C2051與AD7705的連接如圖2所示。89C2051的RXD引腳和TXD引腳分別接AD7705的DIN腳和SCLK引腳，這樣就可以采用單片機的串口工作方式0對A/D轉換器的相應寄存器進(jìn)行設置，并讀取轉換數據；89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳；89C2051的 P1.2腳接AD7705的復位引腳，從而保證了AD7705的可靠復位；另外AD7705主時(shí)鐘采用外接晶振的方式，晶振頻率為2MHz，可以在軟件中對相應的寄存器進(jìn)行設置，使其實(shí)際工作頻率為外接晶振頻率的二分頻，即為1MHz；參考電壓負端接地，正端接LM385-2.5的陰極。

圖2 數據采集電路

數據處理系統硬件設計

數據處理部分是系統的重要組成部分，這一部分的主要作用是接收采集傳輸回來(lái)的數據，并根據適當的算法進(jìn)行運算，最后將運算結果通過(guò)D/A轉換器以控制激光器的輸出光功率輸出。D/A轉換器采用了MAXIM公司的MAX542。系統原理框圖如圖3所示。

圖3 數據處理系統原理簡(jiǎn)圖

MAX542是16位串行輸入、電壓輸出數模轉換器。其輸出非緩沖，因而只有0.3mA低供電電流和1LSB的低漂移誤差；輸出電壓范圍為0V到VREF(參考電壓)，可以接成單極性或雙極性輸出方式，具有更廣泛的應用范圍。

在數據處理板中，單片機功能為：驅動(dòng)光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數據；與計算機進(jìn)行通信，以便在控制過(guò)程中改變相應PID運算參數的設定；控制D/A轉換器將PID運算結果輸出以控制激光器的輸出光功率，達到穩壓控制的目的。此處單片機選用了AT89C52。

單片機與MAX542的連接如圖4所示。用單片機的P2.5腳與MAX542的LDAC引腳相連，這樣通過(guò)控制單片機的相應管腳即可以準確刷新D/A轉換輸出鎖存器；單片機的P2.7腳與MAX542的片選端CS相連，這樣在系統要進(jìn)行D/A轉換時(shí)選通相應管腳即可，可以相應地降低系統功耗，也有利于減少誤操作；參考電壓仍由精密穩壓管LM385-2.5提供2.5V的基準電壓；在其輸出端接電壓跟隨器，這樣可以把模擬部分與數字部分進(jìn)行隔離，減小系統干擾，同時(shí)增加系統的帶負載能力。在系統中采用普通管腳來(lái)控制MAX542的工作，通過(guò)編程就能實(shí)現MAX542的工作時(shí)序，還可用單片機的串口與MAX542的相應管腳相連，就可以采用串口工作方式0來(lái)控制MAX542的轉換。在本系統中，單片機的串口用來(lái)與計算機進(jìn)行通信，這樣就可以在不同的條件下對系統設定不同的參數來(lái)達到穩壓控制的目的。在要求比較高的條件下，可以通過(guò)計算機來(lái)記錄光電轉換電源的工作情況。

圖4 D/A轉換電路

數據采集系統中的抗干擾措施

濾波方法是抑制干擾、保證測量精度的有效途徑。在工業(yè)現場(chǎng)中，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數據的準確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，但是會(huì )增加設備，又可能帶來(lái)新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設備，可靠性高、功能多樣、使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn)。在數據采集部分選用的A/D 轉換器件為AD7705，它內置了數字濾波器。選定的輸入信號被送到一個(gè)基于模擬調制器的增益可編程專(zhuān)用前端，片內數字濾波器處理調制器的輸出信號，通過(guò)片內控制寄存器可調節濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率，從而對數字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。

AD7705內嵌了數字低通濾波器，可在A(yíng)/D轉換之后進(jìn)行數字濾波，能消除A/D轉換過(guò)程中產(chǎn)的噪聲。此外，數字濾波器具有可編程性。依靠數字濾波器設計，用戶(hù)可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。此外，因為內部帶有數字濾波器，AD7705具有抑制干擾功能。50Hz的工頻干擾在第一陷波位置已衰減100dB，這樣就有效地抑制了工頻干擾。另外，本系統采集數據時(shí)，以10個(gè)數據作為一組，再用平均值濾波法對這10個(gè)數據進(jìn)行平均，用此平均值作為該時(shí)刻的采樣值，這樣就有效地去除了數據隨機誤差。而且，光電轉換電源輸出端電壓的變化是緩慢的，因而以10次采樣值的平均值作為該時(shí)刻的值進(jìn)行處理能夠滿(mǎn)足系統要求，實(shí)驗證明這種方法是可行的。