光電轉換電源控制系統(tǒng)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?shù)?、輸出電壓值不受電網(wǎng)波動影響的穩(wěn)壓源。它是光傳能技術中的關鍵部件，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說明光電轉換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法。

系統(tǒng)總體結構

圖1為光電轉換電源的總體結構。控制室驅(qū)動半導體激光器發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)耦合器耦合到多模光纖中，從而傳輸?shù)綔y量現(xiàn)場；光能在現(xiàn)場通過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(qū)動電路中已經(jīng)加入了相應的穩(wěn)壓或穩(wěn)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?shù)浆F(xiàn)場的過程中會有損耗，而光電轉換器件的轉換效率與環(huán)境溫度等因素有關，光纖電流互感器的負載也會發(fā)生不規(guī)則變化，這些就會導致高壓側光電轉換后的電壓達不到系統(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)總體結構框圖

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。由于采集的是遠離控制室的參量，因而應有一個通信系統(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)硬件設計

數(shù)據(jù)采集部分的主要任務就是采集高壓側(或遠離控制室)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)濟效益等因素，選取單片機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的串口工作方式0對A/D轉換器的相應寄存器進行設置，并讀取轉換數(shù)據(jù)；89C2051的P1.3腳接AD7705的片選腳；89C2051的 P1.2腳接AD7705的復位引腳，從而保證了AD7705的可靠復位；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的寄存器進行設置，使其實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(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設計

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?shù)乃惴ㄟM行運算，最后將運算結果通過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(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(shù)據(jù)處理板中，單片機功能為：驅(qū)動光收發(fā)合一模塊接收采集板傳回的數(shù)據(jù)；與計算機進行通信，以便在控制過程中改變相應PID運算參數(shù)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(wěn)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(tǒng)要進行D/A轉換時選通相應管腳即可，可以相應地降低系統(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)字部分進行隔離，減小系統(tǒng)干擾，同時增加系統(tǒng)的帶負載能力。在系統(tǒng)中采用普通管腳來控制MAX542的工作，通過編程就能實現(xiàn)MAX542的工作時序，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來控制MAX542的轉換。在本系統(tǒng)中，單片機的串口用來與計算機進行通信，這樣就可以在不同的條件下對系統(tǒng)設定不同的參數(shù)來達到穩(wěn)壓控制的目的。在要求比較高的條件下，可以通過計算機來記錄光電轉換電源的工作情況。

圖4 D/A轉換電路

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)的準確性。硬件濾波措施是使用較多的一種方法，但是會增加設備，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。在數(shù)據(jù)采集部分選用的A/D 轉換器件為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)濾波器的截止點和輸出更新率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進行編程。

AD7705內(nèi)嵌了數(shù)字低通濾波器，可在A/D轉換之后進行數(shù)字濾波，能消除A/D轉換過程中產(chǎn)的噪聲。此外，數(shù)字濾波器具有可編程性。依靠數(shù)字濾波器設計，用戶可以編程截斷頻率和輸出更新頻率。此外，因為內(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刻的值進行處理能夠滿足系統(tǒng)要求，實驗證明這種方法是可行的。