專利名稱：電力光學電壓傳感器信號重構和輸出模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力光學電壓傳感器信號重構和輸出模塊，用于高壓電力測試中光電電壓互感器的信號重構和輸出，屬于電力自動化技術領域。
背景技術：
目前在高壓電力測試系統(tǒng)中電壓的測量主要是采用傳統(tǒng)的電磁感應式的電壓互感器(VT-Voltage Transformer)和電容分壓式互感器(CVT-CapacitanceVoltage Transformer)，這兩種電壓互感器已經有較長時間的使用歷史。隨著電力系統(tǒng)傳輸的電力容量越來越大，電壓等級越來越高，也已充分暴露了它本身存在的缺點和問題體積大而笨重，造價高，因有鐵心而存在鐵磁飽和鐵磁諧振和磁滯現(xiàn)象，頻帶較窄，易使快速變化的信號產生畸變，采用油作為填充而易發(fā)生爆炸，給電力系統(tǒng)運行的安全帶來隱患，需要復雜而昂貴的絕緣措施等等。
電力光學電壓傳感器(Optic Voltage Transducer)俗稱光電電壓互感器(Electro Optic Voltage Transformer)，是一類基于泡克耳斯效應的新一代電力系統(tǒng)高壓測量設備。它主要由三個部分組成，絕緣主體單元、光學晶體敏感單元、數字信號實時處理單元。數字信號實時處理單元是光學電壓傳感器的核心，它又由光信號數字采集、信號重構和輸出模塊組成。與傳統(tǒng)的電壓互感器相比，其響應速度快，免于電磁干擾，使用安全方便。盡管如此，某些方面仍還不夠成熟，比如穩(wěn)定性與可靠性不夠理想。目前還沒有這項技術研究和應用的詳細報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，設計提供一種電力光學電壓傳感器信號重構和輸出模塊，通過對光學電壓傳感器光信號數字采集模塊采集到的兩路光電信號進行電壓信號的重構，恢復加在電光晶體兩端的電壓，以達到測量和恢復被測電壓的目的，同時為恢復和測量的電壓信號提供輸出，為下一級的模擬設備提供處理的信號。
為了實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明設計的模塊采用數字信號處理器DSP、利用信號重構算法和光電電壓互感器的電光晶體的特性來對光學電壓傳感器光信號數字采集模塊采集的兩路光電信號來進行電壓信號的重構，恢復加在電光晶體兩端的電壓，并把恢復和測量的電壓信號結果通過D/A轉換器轉換成模擬量輸出。
本發(fā)明的信號重構和輸出模塊在硬件設計上主要由數字信號處理器DSP及其外圍電路組成。它的外圍電路包括晶振、數模轉換器(D/A)、監(jiān)控集成芯片、片外程序存儲器(EPROM)等。片外程序存儲器的輸出數據線、地址線分別與DSP的數據線、地址線對應相連，監(jiān)控集成芯片的復位端與DSP的復位端相連，晶振的時鐘輸出連接DSP的時鐘輸入，DSP的作為數據輸出和控制的三個通用標志引腳(PF0、PF4、PF5)分別與D/A鎖存信號、時鐘輸入、串行數據輸入相連。晶振為DSP提供時鐘信號，集成監(jiān)控芯片及其外圍電阻構成看門狗電路。
當系統(tǒng)上電通過集成監(jiān)控系統(tǒng)復位后，系統(tǒng)應用程序從片外EPROM中的字節(jié)存儲區(qū)自動加載到DSP系統(tǒng)的程序存儲區(qū)中，當程序傳輸完成后，程序自動從DSP程序存儲區(qū)(簡稱PM)的0X0000地址處開始執(zhí)行，并從其數據線讀入經過A/D轉換的光電信號，在DSP模塊內進行重構，重構后的信號，通過DSP的PF5口串行輸出送入D/A的串行數據輸入端，D/A對接收到的數據進行數模轉換，最終得到重構后的光電模擬信號。在程序運行過程中，晶振為處理器提供時鐘信號，集成監(jiān)控芯片及其外圍電阻構成看門狗電路，實現(xiàn)對電源電壓的監(jiān)控和程序飛溢的監(jiān)視。
本發(fā)明用于高壓電力測試中光電電壓互感器的信號重構和輸出，能夠恢復加在電光晶體兩端的電壓，同時也能夠為恢復和測量的電壓信號提供輸出，為下一級的模擬設備提供處理的信號，工作穩(wěn)定，性能可靠。


圖1為本發(fā)明的信號重構和輸出模塊結構原理圖。
圖2為電場電壓恢復算法流程圖。
圖3為D/A輸出程序流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
如圖1所示，本發(fā)明的信號重構和輸出模塊在硬件設計上主要由DSP模塊及其外圍電路組成。它的外圍電路包括晶振、數模轉換器(D/A)、監(jiān)控集成芯片、片外程序存儲器(EPROM)等。EPROM的輸出數據線、地址線等引腳分別與DSP的數據線、地址線等引腳對應相連，集成監(jiān)控芯片的復位引腳與DSP的復位引腳相連，晶振的時鐘輸出引腳接DSP的時鐘輸入引腳，DSP的三個通用標志引腳(PF0、PF4、PF5)分別與D/A鎖存信號引腳、時鐘輸入引腳、串行數據傳輸線相連。當系統(tǒng)上電通過集成監(jiān)控系統(tǒng)復位后，DSP模塊從EPROM中讀入程序執(zhí)行，并從其數據線讀入經過A/D轉換的光電信號，在DSP模塊內進行重構，重構后的信號，通過DSP的PF5口串行輸出，D/A對串行輸出的數據進行數模轉換，最終得到重構后的光電模擬信號。
本發(fā)明的軟件設計部分主要包括信號重構模塊和信號輸出模塊的軟件設計。附圖2，附圖3分別為信號重構模塊的電場電壓恢復算法流程圖、信號輸出模塊的D/A輸出程序流程圖。這些軟件部分的設計在DSP模塊中得到實現(xiàn)。
以下通過實例加以說明。
本發(fā)明的信號重構和輸出模塊的主體核心是DSP處理器。在設計時選用ADI公司的ADSP2181 DSP芯片。在設計時主要根據DSP存儲結構和外圍接口、光電電壓互感器的電光晶體特性以及信號重構算法進行設計的。
信號重構模塊本發(fā)明的信號重構模塊在硬件上主要由DSP與晶振、監(jiān)控集成芯片、片外程序存儲器相連而構成，如附圖1所示。EPROM的輸出數據線、地址線等引腳分別與DSP的數據線、地址線等引腳相連，集成監(jiān)控芯片的復位引腳與DSP的復位引腳相連，晶振的時鐘輸出引腳接DSP的時鐘輸入引腳，DSP的三個通用標志引腳(PF0、PF4、PF5)分別與D/A鎖存信號引腳、時鐘輸入引腳、串行數據傳輸線相連。晶振主要為DSP提供時鐘信號驅動，監(jiān)控集成芯片起到系統(tǒng)復位、看門狗定時輸出、電源電壓監(jiān)控等作用，片外程序存儲器用來存放啟動加載軟件和用戶軟件。
由于ADSP2181可外接的時鐘頻率為5MHz～20MHz，本模塊選用20MHz的一體化晶振來給處理器ADSP2181提供時鐘信號。該一體化晶體有四個管腳，其中，1腳懸空，2腳接地，3腳接在CLKIN管腳上，4腳接5V電源電壓。
由于ADSP2181的系統(tǒng)時鐘頻率較高，在運行實際中有可能發(fā)生干擾的現(xiàn)象，嚴重時導致系統(tǒng)的死機。為了克服這種現(xiàn)象，實現(xiàn)對電源電壓監(jiān)控和程序的飛溢的監(jiān)視，必須設計合理的看門狗電路。選用了MAXIM公司的集成芯片MAX705監(jiān)控集成電路及其與外圍電阻構成看門狗電路。
在系統(tǒng)上電時，一旦Vcc達到1V，輸出引腳/RESET會處于低電平狀態(tài)，當Vcc上升時，/RESET仍然保持低電平，一旦當Vcc超過門限電壓4.65V時，再過200ms后/RESET恢復高電平狀態(tài)。當Vcc低于復位的門限電壓4.65V的時候，/RESET引腳輸出負電平脈沖給DSP，使系統(tǒng)復位。當Vcc由低于復位門限上升為高于復位門限的時候，/RESET引腳先保持200ms的低電平脈沖，然后上升為高電平。
如果在時間為1.6秒內DSP沒有觸發(fā)看門狗輸入引腳WDI，且WDI不處于三態(tài)狀態(tài)，則看門狗的輸出/WDO將變成低電平，把此引腳接到ADSP2181的中斷/IRQ2上，只要/RESET有效或者WDI輸入處于三態(tài)，看門狗定時器就清除而不計數，而一旦/RESET無效且WDI不是處于三態(tài)，看門狗電路的定時器就開始計數。觸發(fā)看門狗的方法是在WDI引腳上加一個正脈沖信號，用這種方法來防止程序跑飛，DSP不斷通過PF2口給WDI引腳加正脈沖，兩次脈沖的時間間隔不大于1.6秒，則/WDO的輸出始終為高電平，此時程序執(zhí)行是正常的，如果程序跑飛是由于干擾信號改變了程序計數器的計數引起WDI引腳就不可能按時接收到正脈沖信號，此時看門狗的輸出引腳/WDO就變?yōu)榈碗娖?，從而引起系統(tǒng)的中斷，可以在中斷服務程序中，改變程序的執(zhí)行順序，使程序恢復到正常運行狀態(tài)。
電源故障輸入端PFI的電壓與內部基準電壓進行比較，如果PFI處電壓低于1.25V時，則電源故障輸出端/PFO就變成低電平。把電源故障輸出端接到DSP的/IRQE的中斷輸入端，通過接入分壓電阻100K和1M，可對15V電源故障進行告警。
/MR是手動復位引腳，當在/MR引腳處加一個寬度不小于140ms的低電平時，看門狗電路便進行復位開始計數，同時在/RESET引腳處輸出寬度不小于200ms的負脈沖。對/MR引腳處的輸入低脈沖寬度要求是為了有效消除機械開關的抖動影響，以免引起誤操作，由于/MR是與TTL/CMOS電平兼容的，也可用外部邏輯電路來復位。為了簡化電路和減少編程工作，把電路進行進一步的改造，直接把/WDO的輸出引腳接到輸入引腳/MR處。
本系統(tǒng)要能正常運行，還必須設計啟動電路，在設計上，選用低價格的、適合工業(yè)用的、CMOS型的27C128 EPROM作為外部程序存儲器。利用ADI公司提供的ADSP21XX系列的PROMSPLITTER工具軟件，為基于ADSP2181的設計加上系統(tǒng)啟動加載軟件，在用戶的應用軟件前加上存儲引導代碼，把產生的存儲引導代碼和應用程序燒制到EPROM中，通過ADSP2181的字節(jié)存儲來啟動目標系統(tǒng)。這存儲引導代碼就包含在系統(tǒng)啟動時從字節(jié)存儲中加載到DSP中的32個字中。
當定義DSP引腳BMODE＝0和MMAP＝0，也即都接地此時DSP執(zhí)行BDMA啟動方式，當復位以后，DSP初始化BDMA啟動序列，建立以下過程BDIR、BMPAGE、BEAD、BIAD、BTYPE的寄存器值設置為零；BWCOUNT寄存器值設置為32；BCR寄存器值設置為1；BMWAIT寄存器值設置為7。其中寄存器BTYPE設置的值規(guī)定了24位程序存儲的傳輸，而BWCOUNT寄存器的值定義了傳輸的32個字，BCR寄存器值表明了中止程序的執(zhí)行直到32個字加載到片內的程序存儲區(qū)為止，同時在32個字傳輸完成之后使程序在程序存儲(PM)地址為0X0000處開始執(zhí)行。BMWAIT寄存器的值表示了BDMA訪問的最大等待時間為7個時鐘周期，接下來的事情就是系統(tǒng)通過BDMA方式從字節(jié)存儲區(qū)中把32個字的啟動程序代碼頭加載到片內的程序存儲區(qū)中，這加載的32個字是用于建立系統(tǒng)的BDMA加載方式，以便把用戶設計的系統(tǒng)應用程序從字節(jié)存儲區(qū)中加載到系統(tǒng)的程序存儲區(qū)中，當程序傳輸完成后，程序自動從程序存儲PM的0X0000地址處開始執(zhí)行。
另外，把EPROM的Vcc、VPP PGM引腳接到5V的電源上，把編制好的程序通過一定的燒EPROM的設備用一定的格式燒制到27C128中，當給系統(tǒng)上電或復位時，DSP按照一定的時序要求，發(fā)出/RD和/BMS信號，然后使數據總線的數據傳輸有效，這樣系統(tǒng)通過BDMA方式進行了啟動。
信號重構模塊的軟件設計主要是關于信號重構算法的設計。在算法的處理上，為了進行全電壓光纖電壓的測量，利用對光學電壓傳感器光信號數字采集模塊采集到的兩路光電信號來實現(xiàn)電壓的恢復和其他相關的信號處理。
按照縱向電光調制以及相應的起偏器、晶體、檢偏器和波片的放置方法，經過光電電壓互感器后，可以產生兩路光I1和I2的光強。因兩路信號是互相正交，兩路信號之間和信號與對稱軸之間出現(xiàn)一系列的交點，本算法設計是基于這些相互的交點，與中間對稱軸的交點的計算上。
利用兩路正交的信號來實現(xiàn)計數，方法主要是當波形經過一個零點時，無論是哪一路，都進行計數值N的計數。在計數過程中，有一個非常重要的問題是計數值的加、減的方向，這要用到兩路信號的相對關系，當I1超前I2時，N值進行計數加操作，也即無論哪一路信號每經過一個零交叉點，N值加1；當I1落后于I2時，N值進行計數減操作，也即無論哪一路信號每經過一個零交叉點，N值減1。要注意，在這個計數過程中，之所以要引入另一路與之正交的信號是為了判斷要恢復的電場電壓信號的上升和下降的方向，以便在作計數的過程中及時調整N值得計數方向。當信號I1超前于信號I2時，要恢復的電場電壓波形是處于上升過程中，也即在算法中計數值N是要進行計數加1的操作過程。當信號I1滯后于信號I2時，要恢復的電場電壓波形是處于下降過程中的，也即在算法中計數值N是要進行計數減1的操作。
由此，利用兩路波形的超前和滯后的情況，解決了恢復的電場電壓的上升和下降過程的判斷，以及對電場電壓的初步計算過程。在這里信號I1和信號I2的超前和滯后的判斷對于算法是十分重要的。利用信號I1和信號I2的進入零值靜帶前的采樣值與信號的當前工作采樣值之間的關系來判斷信號的超前和滯后的相位關系。
首先設置一個參數A，讓它等于信號I1進入零值靜帶前的采樣值減去信號的當前采樣值，或者是等于信號I2進入零值靜帶前的采樣值減去信號的當前采樣值。這樣，A值只有三種取值情況0、-2、2，然后再利用當前信號I1和I2的采樣值與之比較。
當值A為零時，信號與零軸沒有零交叉點，不進行判斷；當A不為零時，有兩種情況一是A取值為信號I1進入零值靜帶前的采樣值減去信號I1的當前采樣值時，把A的符號與信號I2的當前采樣值符號進行比較，如果符號一樣，說明信號I1超前于信號I2，否則信號I1滯后于信號I2，二是A取值為信號I2進入零值靜帶前的采樣值減去信號I2的當前采樣值時，把A的符號與信號I1的當前采樣值符號進行比較，如果不符號一樣，說明信號I1超前于信號I2，否則信號I1滯后于信號I2。
但這僅僅是恢復波形的雛形，其實在恢復過程中，按半波電壓計數的方式對恢復的電場電壓值來說，重復進行了I1和I2的過零交叉點的計數，使恢復的電場電壓相應放大了一倍，因此在最后計算電場電壓時要進行除2處理，以便計算的值符合恢復的電場電壓。
在恢復了電場電壓信號的階梯波形后，現(xiàn)在重要的任務是進一步完善電場電壓信號的波形，以形成一個完整的電場信號，在兩個相鄰的階梯之間，N值相差1，而實際上相差一個半波電壓引起的幅值差異。用I1或I2的實際值來插值兩個相鄰階梯之間的值。之所以用I1或I2的實際值來插值，是由于根據透射率公式4-1可以得到，在一個半波電壓內，電壓與光強存在一一對應的關系，當通過信號歸一化處理把信號限制在很小的范圍內變化時，可以假設Δ＝sinΔ，得到了電場電壓與當前瞬時信號值I1或I2的線性關系。利用信號的瞬時值來近似插值階梯波之間的曲線就可以得到階梯波形之間的電場電壓信號的恢復值。
綜上所述，電場電壓波形的恢復過程是首先由采集得到的兩路信號進行零交叉點的個數N值計數，然后把N值進行除2處理，從而得到要恢復的電場電壓的初步階梯波形圖，再經過上述所講述的處理和假設以后，在兩個相鄰的階梯波形之間采用信號瞬時值插值方式進行波形的細化和完善，可得到最終的電場電壓恢復波形圖。
設計的電場電壓恢復算法流程圖如附圖2所示。
信號輸出模塊在滿足精度要求的情況下，為了使設計的電路盡量簡單，本發(fā)明在硬件上選用ADI公司生產的AD420芯片作為數模轉換器，并將其與ADSP2181相連，構成信號輸出模塊的硬件電路，如附圖1所示。在與ADSP2181的連線上AD420采用三線制。為了把輸出的電流信號Iout轉換為電壓信號，可在外部接一個標準電阻R3。
從ADSP2181傳過來的數據在時鐘信號CLOCK的控制下，進入AD420的數據輸入寄存器中，當在LATCH信號的驅動下，進入D/A轉換器。
AD420的數據操作不同于一般的串行口送數方式，一般的串行口送數是由中斷送數，其間可不用對送數操作做具體管理，只要系統(tǒng)響應中斷，進入串行通訊方式，對寄存器TX發(fā)數，中斷會自動將數送入D/A，主要有系統(tǒng)的中斷服務程序完成數據傳輸操作，但是由于AD420的時序與DSP2181的時序不同，采用該種操作會導致送數結果與實際不符，引起一定誤差甚至發(fā)生錯誤。所以采用了同步串行送數，由軟件發(fā)送同步時鐘和數據位，但這種方式也有一定缺陷，需要DSP不停干預系統(tǒng)傳輸，占用DSP時間，從而給整個系統(tǒng)造成時間的精度問題，但由于DSP的處理時鐘頻率很高，系統(tǒng)的延時應該不是主要問題。
與A/D采樣一樣利用ADSP2181的PF口的PF0、PF4和PF5來進行D/A三線制的數據傳輸接口，如附圖1所示接法用PF0去控制D/A的鎖存信號，PF4作為時鐘控制輸入引腳，PF5用作串行數據的傳輸線。
根據時序的要求，設定AD420用的時鐘信號CLOCK，然后啟動時鐘信號，由于從A/D采樣得到的數據經過ADSP2181的處理以后，需要輸出的數據存放于寄存器AY0中，因此，設定程序的入口為AY0，在程序中設置PF0、PF4和PF5作為輸出用匯編語言實現(xiàn)如下AX0＝0X7731DM 0X3FE6＝AX0為了實現(xiàn)數據的串行輸出，必須對存放數據的寄存器中的數據進行判斷，如果是0，則在數據輸出口PF5(也即DATA IN)傳輸數據0，反之，則傳輸數據1。通過循環(huán)來實現(xiàn)16位數據的傳輸工作，程序的流程圖附圖3所示。
權利要求
1.一種電力光學電壓傳感器信號重構和輸出模塊，其特征在于主要由數字信號處理器DSP及其外圍電路組成，外圍電路包括晶振、數模轉換器D/A、監(jiān)控集成芯片、片外程序存儲器，片外程序存儲器的輸出數據線、地址線分別與DSP的數據線、地址線對應相連，監(jiān)控集成芯片的復位端與DSP的復位端相連，晶振的時鐘輸出連接DSP的時鐘輸入，DSP的作為數據輸出和控制的三個通用標志引腳分別與D/A鎖存信號、時鐘輸入、串行數據輸入相連，晶振為DSP提供時鐘信號，集成監(jiān)控芯片及其外圍電阻構成看門狗電路，DSP從其數據線讀入經過A/D轉換的光電信號，在DSP模塊內進行重構，重構后的信號送入D/A的串行數據輸入端，D/A對接收到的數據進行數模轉換，最終得到重構后的光電模擬信號。
全文摘要
一種電力光學電壓傳感器信號重構和輸出模塊，由數字信號處理器DSP及其外圍電路組成，外圍電路包括晶振、數模轉換器D/A、監(jiān)控集成芯片、片外程序存儲器，晶振為DSP提供時鐘信號，集成監(jiān)控芯片及其外圍電阻構成看門狗電路，DSP從其數據線讀入經過A/D轉換的光電信號，在DSP模塊內進行重構，重構后的信號送入D/A的串行數據輸入端，D/A對接收到的數據進行數模轉換，最終得到重構后的光電模擬信號。本發(fā)明能夠恢復加在電光晶體兩端的電壓，同時也能夠為恢復和測量的電壓信號提供輸出，為下一級的模擬設備提供處理的信號。
文檔編號G01R1/20GK1553197SQ20031012273
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權日2003年12月19日
發(fā)明者楊煜普, 宋軍強, 余致春 申請人:上海交通大學