光纖電壓傳感的DSP實(shí)現

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

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的基礎上去掉了一般用戶(hù)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，在國內已得到了較廣泛的應用。

C31具有不同于一般處理器的硬件結構，由于采用哈佛結構、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計，使DSP芯片的指令周期在200ns以下。指令周期根據時(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)，當在BGO晶體的(110)鏡面加電壓時(shí)，由于Pockels效應，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，當以(110)方向沿兩折射率主軸各通過(guò)一線(xiàn)偏振光時(shí)，它們之間的最大相位差可表示為

(1)式中：f——電光效應產(chǎn)生的相位差，l—真空波長(cháng)n0—晶體的真空折射率，r41—電光系數，l—傳光方向的晶體長(cháng)度，U—外加電壓，d—電場(chǎng)方向的晶體長(cháng)度，為半波電壓，它僅與晶體和入射光波長(cháng)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(jiàn)，f正比于被測電壓。我們可以通過(guò)檢測f求得被測電壓。

系統構成如圖1所示，光發(fā)射的驅動(dòng)電路產(chǎn)生等幅占空比為50%的連續方波，經(jīng)LED變成光脈沖序列，被測電壓在傳感頭上對光脈沖序列進(jìn)行調制，成為調幅脈沖序列，該信號經(jīng)光纖到達探測器，探測器將它變成電信號，信號處理電路將探測器提供的電信號進(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的濾波、計算、FFT變換、以及輸出的任務(wù)，現在就其硬件和軟件的結構、工作過(guò)程分別進(jìn)行介紹。

圖2 中，光電轉換后的模擬信號，經(jīng)過(guò)直流放大等預處理后，進(jìn)入A/D轉換芯片TLC32044,數據流通過(guò)串行口進(jìn)入C31芯片，在C31中，信號主要完成噪聲濾除、FFT變換、有效值計算等變換，并將計算結果輸出到相應的輸出設備上。

其中EPROM 27512 主要完成初始化的數據和固化好的程序；快速RAM 7C199可以滿(mǎn)足大型程序的無(wú)等待運行；雙口RAM 7C133,暫存C31的輸出數據，負責DSP和PC的通信工作；TLC32044是高精度A/D、D/A轉換芯片，負責系統的輸入A/D以及輸出D/A的轉換工作。

自引導程序是C31自帶的程序，它負責系統上電后，把需要實(shí)時(shí)運行的程序和數據從外部的低速EPROM中裝入；自引導程序運行完畢后，程序開(kāi)始運行，首先控制TLC32044把模擬信號轉化為數字信號，并且從串行口輸入；對輸入的信號進(jìn)行濾波，除去帶內噪聲；接著(zhù)把信號直接送到串行口輸出，經(jīng)過(guò)D/A 轉換后，用示波器觀(guān)察實(shí)時(shí)波形；同時(shí)每100個(gè)周期運行一次有效值計算程序，并將結果送到LED顯示；濾噪后的信號進(jìn)行FFT變換，運行FFT程序，和運行并行口輸出程序，把結果送到雙口RAM中；接著(zhù)PC機通過(guò)ISA槽從雙口RAM中讀取頻譜數據，并運行顯示程序，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倍頻計算為1000Hz,因此A/D轉換的采樣頻率設為5000Hz足夠用，一幀信號的周期為200ms,這就需要在200ms內完成所有的DSP運算；我們采用DSP TMS320C31芯片的單指令周期為40ns，它的運算能力為25MIPS(每秒執行百萬(wàn)條指令)，這樣一幀內可以完成25MIPS× 200ms=25,000次運算 ，考慮系統的各項指標要求，一幀內完成2.5萬(wàn)的指令足以滿(mǎn)足系統的時(shí)延要求；而且C31采用浮點(diǎn)運算，可以保證計算精度，另外還有高精度的A/D轉換器，這樣就可以達到±1%的精度；另外直流放大器，A/D轉換器都是高速、低延遲芯片，這樣就可以滿(mǎn)足線(xiàn)性度優(yōu)于1%，優(yōu)于時(shí)延小于1°的指標要求。

由此可見(jiàn)采用DSP技術(shù)的光纖電壓傳感器，只要合理設計軟硬件，完全可以達到實(shí)際測量?jì)x表的指標要求。據文獻報道：國外的光纖電壓傳感器相移角已經(jīng)接近1o，遠遠優(yōu)于互感器，可以肯定，光纖電壓傳感器的研究和發(fā)展，將對高電壓的精確測量和控制產(chǎn)生重大的影響?！?/font>