光電轉(zhuǎn)換電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、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、采納光纖傳輸?shù)摹⑤敵鲋挡皇茈娋W(wǎng)波動(dòng)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，是一種平安、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)載來解釋光電轉(zhuǎn)換電源數(shù)字穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)辦法。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)。控制室驅(qū)動(dòng)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(cè)量現(xiàn)場(chǎng)；光能在現(xiàn)場(chǎng)通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為電能，供應(yīng)有源器件。雖然在半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)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

2、要應(yīng)用于遠(yuǎn)端的器件。這樣，在光由控制端傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的過程中會(huì)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(huì)發(fā)生不規(guī)章變幻，這些就會(huì)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)框圖我們可以采納反饋控制的思想來滿足系統(tǒng)要求。按照控制論中有關(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。因?yàn)椴杉氖沁h(yuǎn)離控制室的參量，因而應(yīng)有一個(gè)通信系統(tǒng)可以使采集的量傳回控制室，如采納光纖通信系統(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

3、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89c2051為主控制器。系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分的功耗是必需要考慮的，故采集部分的核心器件a/d轉(zhuǎn)換器采納公司的低成本、高辨別率a/d轉(zhuǎn)換器ad7705。ad7705在工作過程中簡(jiǎn)單浮現(xiàn)端口迷失的現(xiàn)象，為確保它可以正常地工作，還加入了專用芯片x5045。89c2051與ad7705的銜接2所示。89c2051的rxd引腳和txd引腳分離接ad7705的din腳和sclk引腳，這樣就可以采納單片機(jī)的串口工作方式0對(duì)a/d轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)寄存器舉行設(shè)置，并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；89c2051的p1.3腳接ad

4、7705的片選腳；89c2051的 p1.2腳接ad7705的復(fù)位引腳，從而保證了ad7705的牢靠復(fù)位；另外ad7705主時(shí)鐘采納外接晶振的方式，晶振頻率為2mhz，可以在軟件中對(duì)相應(yīng)的寄存器舉行設(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歸的數(shù)據(jù)，并按照適當(dāng)?shù)乃惴ㄅe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)換器采納了maxim公司的max542。系統(tǒng)原理框圖3所示。圖3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理

5、簡(jiǎn)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，因而惟獨(dú)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(dòng)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)舉行通信，以便在控制過程中轉(zhuǎn)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的銜接4所示。用單片機(jī)的p2.5腳與max542的l引腳相連，這樣通過控制單片機(jī)的相應(yīng)管腳即可以精確刷新d/a轉(zhuǎn)換輸

6、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)要舉行d/a轉(zhuǎn)換時(shí)選通相應(yīng)管腳即可，可以相應(yīng)地降低系統(tǒng)功耗，也有利于削減誤操作；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；在其輸出端接電壓尾隨器，這樣可以把模擬部分與數(shù)字部分舉行隔離，減小系統(tǒng)干擾，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。在系統(tǒng)中采納一般管腳來控制max542的工作，通過編程就能實(shí)現(xiàn)max542的工作時(shí)序，還可用單片機(jī)的串口與max542的相應(yīng)管腳相連，就可以采納串口工作方式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)舉行通信，這樣就可以在不同的條件下對(duì)系統(tǒng)設(shè)定不同的參數(shù)來達(dá)到穩(wěn)壓

7、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)換電源的工作狀況。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辦法是抑制干擾、保證測(cè)量精度的有效途徑。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，可利用硬件電路或軟件濾波器算法提高測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性。硬件濾波措施是用法較多的一種辦法，但是會(huì)增強(qiáng)設(shè)備，又可能帶來新的干擾源。而軟件濾波算法不需增強(qiáng)硬件設(shè)備，牢靠性高、功能多樣、用法靈便，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(hào)被送到一個(gè)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(hào)，通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)整濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新率，從而對(duì)數(shù)字濾波器的第一個(gè)陷波舉行編程。ad7705內(nèi)嵌了數(shù)字，可在a/d轉(zhuǎn)換之后舉行數(shù)字濾波，能消退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。依賴數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，用戶可以編程截?cái)囝l率和輸出更新頻率。此外，由于內(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(shí)，以10個(gè)數(shù)據(jù)作為一組，再用平均值濾波法