500KV光學(xué)電壓電流傳感器數字信號處理系統

摘   要： 本文介紹了利用TMS320C542芯片進(jìn)行500KVOMU (Optical Metering Unit) 中數字信號處理的新方案，并對該方案的定點(diǎn)DSP系統的硬件設計、外圍芯片設計、OMU系統軟件算法作了詳細講述。最后給出了整個(gè)OMU系統的整體性能和測試結論。
關(guān)鍵詞： 光學(xué)電壓電流傳感器；  TMS320C542
引 言
隨著(zhù)電力系統的容量和傳輸的電壓等級進(jìn)一步增大，傳統的CT(Current Transformer)、PT(Potential Transformer)呈現出易受電磁干擾，體積大，重量重，造價(jià)高等自身不可克服的問(wèn)題。因此為了適應電力系統的發(fā)展，迫切需要一種新型的OCT(Optical Current Transducer)、OVT(Optical Voltage Transducer)來(lái)代替傳統的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成的系統以獲得強度受外加電場(chǎng)(電壓)調制的光，由此可測出外加電場(chǎng)(電壓)的大小。由OCT和OVT組成的OMU有著(zhù)傳統PT/CT無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：具有抗電磁干擾、絕緣性能好等。這些優(yōu)點(diǎn)符合未來(lái)電站、變電所發(fā)展的需要，同時(shí)OCT、OVT運行安全可靠，不會(huì )爆炸，還可以節約大量的銅和矽鋼片，社會(huì )效益明顯。
本文以現有500KV的OMU為例，詳細論述了光學(xué)電壓電流傳感器中的新型數字信號處理技術(shù)，并將現代數字信號處理器用于該新型傳感器中。

圖1    DSP系統框架

系統硬件設計
基于OMU中OCS和OVS的檢測方法，并結合實(shí)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，并采用TMS320C542DSP數字信號處理器作為核心處理器，以提高系統精度和穩定性。
當信號經(jīng)模擬電路處理后，送至DSP， 經(jīng)DSP處理，數據輸出至PC機進(jìn)行數據的管理，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(gè)DSP系統的方案設計如圖1所示。
由于OMU的最后輸出檢驗需經(jīng)過(guò)互感器校驗儀進(jìn)行校驗，因此我們在DSP系統中設計了兩路模擬輸出。由于C542具有兩個(gè)串口，且兩個(gè)串口都可以作為標準串口使用，因此我們利用這兩個(gè)串口與串行D/A進(jìn)行接口，后接濾接器進(jìn)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構成32K、16位ROM，又因為C542片內含有10KB DRAM，而10KB DRAM相對于整個(gè)OMU數據處理系統運行所需程序和數據空間已經(jīng)足夠，故不需外掛高速RAM，這樣直接提高了系統的性能。
但應注意，在DSP硬件系統調試前，應確保給實(shí)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(guò)低，則通過(guò)JTAG接口向Flash寫(xiě)入程序時(shí)，會(huì )出現錯誤提示；電壓過(guò)高，則會(huì )損壞DSP芯片。另外，由于在調試時(shí)要頻繁對實(shí)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(shí)因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會(huì )造成經(jīng)濟損失，又將影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度。因此，在調試前應高度重視電源的選擇，同時(shí)在調試過(guò)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據存儲器接入電源前，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(shí)，可在DSP與片外程序存儲器和數據存儲器等關(guān)鍵部分周?chē)忌想娋W(wǎng)，以減少外界干擾。

系統軟件設計
系統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(guò)FIR濾波，進(jìn)行有效值計算，并將數據送至PC。而上位PC機進(jìn)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(shí)，發(fā)收雙方應按照所共同遵循的協(xié)議進(jìn)行初始化。DSP對UART的初始化，主要為按照協(xié)議對8251A內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(wú)校驗，字符長(cháng)度8位，波特率系數16。
在上位機我們采用了VB6.0軟件平臺設計串行通信程序，而使用Mscomm.VBx用戶(hù)控件來(lái)進(jìn)行串行通信的關(guān)鍵是正確設置其中的一些屬性。在VB6.0中的通信程序設計中，我們設計了一個(gè)數據接收主窗口，在接收窗口中對串口進(jìn)行初始化和利用定時(shí)時(shí)鐘對數據進(jìn)行定時(shí)查詢(xún)接收。
軟件設計中值得注意的問(wèn)題
(a) 關(guān)于對外設的初始化和對外設的訪(fǎng)問(wèn)：由于DSP是高速設備，所以選擇外設時(shí)應注意外設的選通訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和讀取時(shí)間，以及DSP對外設的控制字在外設中的轉化時(shí)間。否則會(huì )造成DSP對外設不能訪(fǎng)問(wèn)或外設工作不正常，從而導致系統無(wú)法工作或工作不穩定。
(b) 在中斷服務(wù)程序中的堆棧和出棧及程序保護：在中斷服務(wù)程序或子程序中，由于一般情況下會(huì )調用和修改DSP的內部寄存器，如果在程序運行過(guò)程中觸發(fā)了中斷而執行了中斷服務(wù)程序，將會(huì )導致修改某些DSP內部寄存器的內容或狀態(tài)。在執行完中斷服務(wù)程序或子程序后，再回到原來(lái)程序中，由于被修改的寄存器內容與進(jìn)入中斷服務(wù)程序前的相應寄存器的內容不一致，將導致程序的錯誤運行。所以應在中斷服務(wù)程序和子程序進(jìn)入時(shí)，壓棧將被修改的寄存器及保護相關(guān)需保護的內容。而在中斷服務(wù)程序和子程序結束前，出棧和恢復相關(guān)保護內容，以使主程序正常執行。
(c) 流水線(xiàn)沖突及相關(guān)解決辦法：由于C54XDSP使用六級流水線(xiàn)和增強型哈佛結構，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)以增強內部并行操作，當內部?jì)蓷l指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一條數據線(xiàn)或地址線(xiàn)時(shí)，將會(huì )造成流水線(xiàn)沖突，這時(shí)有效的解決辦法是將這兩條相鄰指令間加入NOP語(yǔ)句以避免流水線(xiàn)沖突，這種解決方法當程序無(wú)邏輯錯誤而又運行不正常時(shí)是行之有效的。

結語(yǔ)
本課題對該OMU進(jìn)行了整機測試，對于每一套測量系統來(lái)講，線(xiàn)性度是整個(gè)系統性能的重要指標，而對于OMU實(shí)質(zhì)上就是利用電偏置法等建立電場(chǎng)與光場(chǎng)之間的線(xiàn)性關(guān)系。經(jīng)試驗驗證，該光電互感器具有很好的線(xiàn)性度。由于DSP高速處理器的采用，使得整個(gè)數據處理系統的電路環(huán)節尤其是模擬電路環(huán)節大大簡(jiǎn)化和系統集成度大大提高，從而使得整個(gè)系統的溫漂減少。系統集成度提高的直接結果是將每相電壓、電流由原來(lái)分開(kāi)測量發(fā)展到三相電壓電流集成到一個(gè)DSP信號處理系統中進(jìn)行測量處理，從而提高了系統的性能價(jià)格比，并且使得系統的升級和更新?lián)Q代變得更為靈活和方便?！?/p>

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