CN106771547A - 一种基于dsp的全光纤电流互感器信号检测装置的设计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，包括受控光源，光纤耦合器，起偏器，相位调制器，传感光纤及线圈，光电探测器，搭载DSP2812芯片的控制板，上位机。受控光源产生的光经起偏器变成线偏振光，再经光纤耦合器进入相位调制器，相位调制器两端加上由DSP产生方波作为调制信号，实现闭环控制。相位调制器输出的光进入传感光纤，传感光纤用于感应被测线圈的电流，并生成携带Faraday旋光角的光强信号。然后光通过反射镜原路返回从耦合器输出送入光电探测器进行光电转换，转换后的电信号送入DSP2812芯片中进行采样并将数据上传至上位机监测。本发明使用新型高性能低功耗的硬件系统，程序兼容性好，外围器件少，成本低，提高了系统的运行效率和速度控制精度。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的设计。
背景技术
近年来，随着电力工业的快速持续发展，电网的运行电压等级也在不断地提高，高电压、大电流的电力系统设备的不断投运，对一次和二次侧的绝缘要求以及信号的可靠传递提出了更高的要求，也对传统的测量方法产生了巨大的挑战；电流互感器作为测量环节中的一个重要组成部分，广泛应用于特高压、大电流系统中，传统的电磁式电流互感器暴露出了一系列的严重问题，如绝缘困难，体积大，重量大，制造困难，易燃易爆，磁饱和以及谐振等；全光纤电流互感器作为一种新型电子式电流互感器，采用光纤作为传感介质，利用线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时其偏振方向发生旋转的独特性质，实现对外界电流的测量，由于其在绝缘性、抗电磁干扰、可靠性方面相比于传统的电磁式电流传感器有很大的优势，近年来受到了国内外研究人员的重视。
电流作为电力系统的重要参量，在运行监控、继电保护、电能计量等领域具有重要的作用，因此电流的实时检测对于电力系统的安全稳定运行具有重要的意义；为了减小光纤电流互感器系统输出非线性误差和增大动态测量范围，借鉴数字闭环光纤陀螺技术，采用闭环检测方案，此时互感器系统始终工作在线性度最好的零相位附近区域，因此测量灵敏度最高；同时由于实现闭环检测，也扩大了系统的测量范围；另一方面，为保证闭环检测控制策略的性能，单片的运行速度已经远远无法满足，随着人们对于高性能的数字处理芯片的需求，DSP的发展也得到了推进，DSP有着强大的运算性能，以及芯片内部集成功能的完整性。
DSP相比于传统单片机，其运算速度和处理性能是后者的数十倍，也就意味着可以在DSP中实现更加高级复杂的算法来实现控制，包括神经元控制、卡尔曼滤波、自适应控制、模糊控制等，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度；DSP 内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法，DSP控制器以其结构紧凑，使用方便，性能可靠，功能强，价格低廉等优点得到了众多使用者的偏爱。
一般的全光纤电流互感器信号检测反应速度慢，控制精度有限，无法满足实际需求，本发明节省了芯片资源的占用，因此可以很大程度提高整个系统的运行效率和速度控制精度；基于DSP2812芯片对方波调制信号实现了数字化控制，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，应用范围广泛，在全光纤电流互感器信号检测控制中有着良好的发展前景。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，解决当前全光纤电流互感器信号检测中控制技术落后，系统反应速度慢与效率低的问题。
硬件部分：主要包括受控光源，光纤耦合器，起偏器，相位调制器，传感光纤及线圈，光电探测器，搭载DSP2812芯片的控制板，上位机；光源发出光进入双输入单输出的光纤耦合器，从耦合器出来的光经起偏器变成线偏振光，线偏振光再进入相位调制器，相位调制器两端加上由DSP产生的方波作为调制信号，实现闭环控制；相位调制器输出的光进入传感光纤，传感光纤用于感应被测线圈的电流，并生成携带Faraday旋光角的光强信号；然后光通过反射镜原路返回从耦合器输出送入光电探测器进行光电转换，转换后的电信号送入DSP 板进行采样和发送。
所述DSP芯片为TMS320F2812，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生模拟方波后驱动相位调制器从而实现闭环控制，与上位机进行通信。
所述受控光源选用标准SLED(Super luminescent LED)光源，是一种工作在超辐射模式的宽光谱范围光源，同时内部采取全局光反馈控制技术与脉宽调制精密温度控制技术，确保极高的输出光功率稳定性与光谱波形稳定性。
所述光纤耦合器采用特殊保偏光纤和强熔拉锥工艺制备的保偏耦合器，将光源功率有效地耦合进光纤。
所述起偏器采用手动调节光纤型起偏器，偏振准直机构可实现手动360°任意旋转，用于产生和检测线偏振光，针对标准光纤和非标准光纤均有较好的适应性。
所述相位调制器采用铌酸锂电光相位调制器，实现相位的检测，其在检测电路驱动下产生与法拉第旋光角大小相等、方向相反的反馈相移，检测电路通过检测反馈信号的大小既能确定相位，从而得到被测电流的大小。
所述传感光纤选用熊猫型保偏光纤，利用光纤的双折射特性，对传输的偏振光的偏振态加以保持并传输，其折射率分布精确、纵向均匀性好、保偏性能好、衰减低。
所述控制板与上位机的通信通过DSP芯片上的SCI模块完成的，通信接口选用芯片MAX485构成通信模块，将TTL电平转换为RS485电平，通过RS485总线上传至上位机。
软件部分：本发明软件编程实现都在CCCS5.5的平台上完成，以实现全光纤电流互感器信号检测所要实现的功能，本发明中程序主要解决以下几个问题，时钟程序的设计，对于本检测系统的采样和发送数据模块主要采用DSP芯片的ADC模块和SCI模块，而两个模块的使用必须送入时钟信号，送入CPU的时钟信号为150MHz，但对于DSP芯内各外设的时钟信号则需要通过编程进行分配； A/D程序的设计，A/D转换器为F2812内部的ADC模块，将采集的模拟信号转换为数字信号，该ADC模块是一个16通道、12位分辨率、含有两个独立序列发生器SEQ1和SEQ2的转换器，时钟频率最高可达到25MHz，采样频率最高可达到12.5MSPS，模拟电压输入范围为0~3V，工作方式分为级联和双序列两种模式，采样方式分为顺序采样和并发采样两种，ADC模块主要程序参数包括时钟、采样频率、工作方式和采样方式；串口程序的设计，下位机串口通信为F2812内部的SCI模块，完成控制板与上位机的通信，在F2812中有两个完全相同的SCI模块，即SCIA和SCIB，且每个模块均具有接收器和发送器，能够独立完成异步通信，SCI模块主要程序参数包括数据格式、波特率和工作模式。
与现有技术相比，本发明的创新与益处在于， 一般的全光纤电流互感器信号检测反应速度慢，控制精度有限，本发明节省了芯片占用资源，可很大程度提高系统的运行效率与速度控制精度；使用新型的高性能低功耗硬件，将软件算法与DSP2812芯片结合，所设计的程序兼容性好，硬件系统减小了对外围器件的依赖，成本低，应用范围广。
附图说明
图1是本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的硬件总体结构框图。
图2是本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的DSP外围电路设计框图。
图3是本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的软件部分中系统主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的硬件总体结构框图，主要包括受控光源，光纤耦合器，起偏器，相位调制器，传感光纤及线圈，光电探测器，搭载DSP2812芯片的控制板，上位机；光源发出光进入双输入单输出的光纤耦合器，从耦合器出来的光经起偏器变成线偏振光，线偏振光再进入相位调制器，相位调制器两端加上由DSP产生的方波作为调制信号，实现闭环控制；相位调制器输出的光进入传感光纤，传感光纤用于感应被测线圈的电流，并生成携带Faraday旋光角的光强信号；然后光通过反射镜原路返回从耦合器输出送入光电探测器进行光电转换，转换后的电信号送入DSP 板进行采样，并通过SCI模块与RS485电路将测量与计算数据上传至上位机进行显示与监测。
所述DSP芯片为TMS320F2812，可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生模拟方波后驱动相位调制器从而实现闭环控制，与上位机进行通信。
所述受控光源选用标准SLED(Super luminescent LED)光源，是一种工作在超辐射模式的宽光谱范围光源，同时内部采取全局光反馈控制技术与脉宽调制精密温度控制技术，确保极高的输出光功率稳定性与光谱波形稳定性。
所述光纤耦合器采用特殊保偏光纤和强熔拉锥工艺制备的保偏耦合器，将光源功率有效地耦合进光纤。
所述起偏器采用手动调节光纤型起偏器，偏振准直机构可实现手动360°任意旋转，用于产生和检测线偏振光，针对标准光纤和非标准光纤均有较好的适应性。
所述相位调制器采用铌酸锂电光相位调制器，实现相位的检测，其在检测电路驱动下产生与法拉第旋光角大小相等、方向相反的反馈相移，检测电路通过检测反馈信号的大小既能确定相位，从而得到被测电流的大小，具有低插入损耗，高速多级偏振控制等优点。
所述传感光纤选用熊猫型保偏光纤，利用光纤的双折射特性，对传输的偏振光的偏振态加以保持并传输，其折射率分布精确、纵向均匀性好、保偏性能好、衰减低。
所述控制板与上位机的通信通过DSP芯片上的SCI模块完成的，通信接口选用芯片MAX485构成通信模块，将TTL电平转换为RS485电平，通过RS485总线上传至上位机。
图2所示为本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的DSP外围电路设计框图，主要包含开关量输入、开关量接口、SCI模块，UART模块、上位机、液晶显示驱动模块、eCAN模块、外部中断模块、EEPROM、A/D转换模块等；DSP2812芯片及其外围电路主要用来可接收与存储测量数据，完成测量数据的A/D转换，产生模拟方波后驱动相位调制器波从而实现闭环控制，与上位机进行通信。
图3所示为本发明所述一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置的软件部分中系统主程序流程图，首先进行初始化，将所有模块恢复默认状态，其次对DSP芯片是否能够接收到数据进行检测，直到连接无误可以接收数据后进入AD子程序，在AD子程序中进行ADC 模块的初始化并采集转换数据，然后将采集的数据存入到指定地址，等待串口程序对其读取并发送给上位机。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征是所述装置包括受控光源，光纤耦合器，起偏器，相位调制器，传感光纤及线圈，光电探测器，搭载DSP2812芯片的控制板，上位机；光源发出光进入双输入单输出的光纤耦合器，从耦合器出来的光经起偏器变成线偏振光，线偏振光再进入相位调制器，相位调制器两端加上由DSP产生的方波作为调制信号；相位调制器输出的光进入传感光纤，传感光纤用于感应被测线圈的电流，并生成携带Faraday旋光角的光强信号，然后光通过反射镜原路返回从耦合器输出送入光电探测器进行光电转换，转换后的电信号送入DSP 板进行采样，测量数据均通过控制板上的通讯模块上传到上位机进行监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：所用的DSP控制芯片采用TI公司生产的基于代码兼容的TMS320C28+内核的高性能32位定点数字信号处理器TMS320F2812作为控制核心。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：DSP2812芯片的程序烧录、调试与仿真都是通过JTAG接口来进行的。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：控制板上同时具备UART232与RS485两种通讯模块，便于与上位机通讯，组网通讯，增强可扩展性；选用芯片MAX485构成RS485通讯模块实现DSP与上位机的通信。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：受控光源选用标准SLED(Super luminescent LED)光源，是一种工作在超辐射模式的宽光谱范围光源。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：光纤耦合器采用特殊保偏光纤和强熔拉锥工艺制备的保偏耦合器，将受控光源功率有效地耦合进光纤。
7.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：起偏器采用手动调节光纤型起偏器，偏振准直机构可实现手动360 任意旋转，用于产生和检测线偏振光。
8.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：相位调制器采用铌酸锂电光相位调制器，实现相位的检测，其在检测电路驱动下产生与法拉第旋光角大小相等、方向相反的反馈相移，检测电路通过检测反馈信号的大小即能确定相位，从而得到被测电流的大小。
9.根据权利要求1所述的一种基于DSP的全光纤电流互感器信号检测装置，其特征在于：DSP2812的控制板中，主要的硬件模块包括开关量输入、开关量接口、SCI模块、UART模块、液晶显示驱动模块、eCAN模块、外部中断模块、EEROM、A/D转换模块等。
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|---|---|---|---|---|
| CN107328977A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-11-07 | 刘勇 | 单传感双采样全光纤电流互感器及其工作方法 |
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Application publication date: 20170531 |
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