光電轉(zhuǎn)換電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電源是一種基于光供能的、采用光纖傳輸?shù)摹⑤敵鲭妷褐挡皇茈娋W(wǎng)波動影響的穩(wěn)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(zhuǎn)換電源的主要應(yīng)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(zhuǎn)換電源的負(fù)載來說明光電轉(zhuǎn)換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為光電轉(zhuǎn)換電源的總體結(jié)構(gòu)?？刂剖因?qū)動半導(dǎo)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?shù)綔y量現(xiàn)場；光能在現(xiàn)場通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為電能，供給有源器件。雖然在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電路中已經(jīng)加入了相應(yīng)的穩(wěn)壓或穩(wěn)流電路，但是光電轉(zhuǎn)換電源主要應(yīng)用于遠(yuǎn)端的電子器件。這樣，在光由控制端傳輸?shù)浆F(xiàn)場的過程中會有損耗，而光電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換效率與環(huán)境溫度等因素有關(guān)，光纖電流互感器的負(fù)載也會發(fā)生不規(guī)則變化，這些就會導(dǎo)致高壓側(cè)光電轉(zhuǎn)換后的電壓達(dá)不到系統(tǒng)正常工作的要求，從而影響系統(tǒng)的正常工作，甚至損壞器件。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

我們可以采用反饋控制的思想來滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)控制論中有關(guān)反饋控制的理論可知，反饋控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。由于采集的是遠(yuǎn)離控制室的參量，因而應(yīng)有一個通信系統(tǒng)可以使采集的量傳回控制室，如采用光纖通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分的主要任務(wù)就是采集高壓側(cè)(或遠(yuǎn)離控制室)的電量，經(jīng)過濾波后傳回控制室。這部分包括了微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器，而數(shù)字量的傳輸以光纖為主。綜合考慮系統(tǒng)性能、工作環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益等因素，選取單片機(jī)89C2051為主控制器。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。

AD7705在工作過程中容易出現(xiàn)端口迷失的現(xiàn)象，為確保它可以正常地工作，還加入了專用看門狗芯片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(jī)的串口工作方式0對A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)寄存器進(jìn)行設(shè)置，并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳；89C2051的 P1.2腳接AD7705的復(fù)位引腳，從而保證了AD7705的可靠復(fù)位；另外AD7705主時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(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)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(fù)端接地，正端接LM385-2.5的陰極。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)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的數(shù)據(jù)，并根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器以控制激光器的輸出光功率輸出。D/A轉(zhuǎn)換器采用了MAXIM公司的MAX542。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理簡圖

MAX542是16位串行輸入、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)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(yīng)用范圍。

在數(shù)據(jù)處理板中，單片機(jī)功能為：驅(qū)動光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數(shù)據(jù)；與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，以便在控制過程中改變相應(yīng)PID運(yùn)算參數(shù)的設(shè)定；控制D/A轉(zhuǎn)換器將PID運(yùn)算結(jié)果輸出以控制激光器的輸出光功率，達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。此處單片機(jī)選用了AT89C52。

單片機(jī)與MAX542的連接如圖4所示。用單片機(jī)的P2.5腳與MAX542的LDAC引腳相連，這樣通過控制單片機(jī)的相應(yīng)管腳即可以準(zhǔn)確刷新D/A轉(zhuǎn)換輸出鎖存器；單片機(jī)的P2.7腳與MAX542的片選端CS相連，這樣在系統(tǒng)要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時選通相應(yīng)管腳即可，可以相應(yīng)地降低系統(tǒng)功耗，也有利于減少誤操作；參考電壓仍由精密穩(wěn)壓管LM385-2.5提供2.5V的基準(zhǔn)電壓；在其輸出端接電壓跟隨器，這樣可以把模擬部分與數(shù)字部分進(jìn)行隔離，減小系統(tǒng)干擾，同時增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。在系統(tǒng)中采用普通管腳來控制MAX542的工作，通過編程就能實(shí)現(xiàn)MAX542的工作時序，還可用單片機(jī)的串口與MAX542的相應(yīng)管腳相連，就可以采用串口工作方式0來控制MAX542的轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的串口用來與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，這樣就可以在不同的條件下對系統(tǒng)設(shè)定不同的參數(shù)來達(dá)到穩(wěn)壓控制的目的。在要求比較高的條件下，可以通過計(jì)算機(jī)來記錄光電轉(zhuǎn)換電源的工作情況。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xiàn)場中，可利用硬件濾波器電路或軟件濾波器算法提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，但是會增加設(shè)備，又可能帶來新的干擾源。而軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)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(shù)據(jù)采集部分選用的A/D 轉(zhuǎn)換器件為AD7705，它內(nèi)置了數(shù)字濾波器。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進(jìn)行編程。

AD7705內(nèi)嵌了數(shù)字低通濾波器，可在A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行數(shù)字濾波，能消除A/D轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)的噪聲。此外，數(shù)字濾波器具有可編程性。依靠數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，用戶可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。此外，因?yàn)閮?nèi)部帶有數(shù)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(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，以10個數(shù)據(jù)作為一組，再用平均值濾波法對這10個數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，用此平均值作為該時刻的采樣值，這樣就有效地去除了數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差。而且，光電轉(zhuǎn)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刻的值進(jìn)行處理能夠滿足系統(tǒng)要求，實(shí)驗(yàn)證明這種方法是可行的。