（电力电子与电力传动专业论文）采用数字光纤通信的电压隔离变送器研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 主要介绍了该变送器的软硬件设计，并对其抗干扰设计，低 功耗设计以及误差校正进行了充分地考虑。系统经过软硬件 调试，取得了较理想的实验结果，实时采样速度达1 0 0 融d s ， 误差控制在o 1 ，各项指标均满足设计要求。 该设计有效隔离了后端控制室与前端的恶劣的采集环 境，避免了传输过程中周围恶劣环境的干扰，解决了前、后 两端地电位差很大的问题，保证了工作人员和仪器的安全。 在工业自动控制、测量仪器仪表和干扰信号较强的电力系统 等场合具有很好的应用前景。 关键词：光纤通信，隔离，电压变送器，数据采集 北京交通大学硕士学位论文 v o l t a g er 卸g et h a tc a nb ea c c e p t e db yb a c kc i r c u i t ( b m p l e t e i n t e g r a t e dm i 】【e d - s 远n a l3 2 k bl s pf l a s hm c uc 8 0 5 1f 】0 0 0 a n dh i 曲- s p e e du a 灯s c l 6 c 5 5 0a r eu s e df o r t h e d 培i t a l f i b e 卜o p t i cc o m m u n i c a t i o n 1 1 l i sd e s i g nc o m p r i s e st h r e cp a n s ： d a t aa c q u i s i t i o ni nf i e l d ，d a t ac o m 删n i c a t i o nb e 咐e e nf m n t c i r c u i ta n db a c kc i r c u i t ，r e v i v i f i c a t i 柏dd i s p o s a lo f b a c kd a t a t h eh a r d w a r ea n ds o 矗w a r ed e s i g ni sp r e s e n t e di nd e l a i li n t h i s p a p er ，m e a n w h i l e ，a l lt h ce l e m e n t ss u c ha sa n t i i n t e e r e n c e ，l o w p o w e r ，e r m re m e n d a t i o nh a v eb e e nc o n s i d e r e di n t h i sd e s i g n a n e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r cd e b u 髂i n g ，r e a l - t i m e a c q u i s i t i o n s p e e di su pt o1 0 0 i ( s p sa n dr e l a t i v ee o ri sb e l o w0 1 e v e q i n d e xo ft h et r 柚s d u c e rc a nw e l lm e e tt h ed e s i g n r e q u e s t t h i st r a n s d u c e rw i l li s o l a t eb a c kd r c u i t ，w h i c ：hi si nc o n t r o l c a b i n e t ，f f o mt h ef r o n tf o r m i d a b l ea 。q u i s i t i o nc o n d i t i o n ，a v o i d t h ei n t e 血r e n c co c c u r r e di nt h et 瑚s n l i t t i n gp r o i c c 豁，s e n l et h e q u e s t i o nt l l a tg r o u n dp o t e n t i a ld i 矗l e 陀n c ci sv e r yl a 穆e i tw i l l h a v ea v e 巧9 0 0 da p p l i c a t i o nf o r e | 雪啪n di nt l i e0 c c a s i o nw h e r e i n l a r g ei n t e 疵r e n c e ss u c ha si n d u s t r i a la u t oc t r o l ，m e a s u r i n g 4 a b s t r a c t a p p a r a t u s ，p o w e fs y s t e ma n ds oo n k e y w o r d s ： f i b e 卜o p t i cc o m m u n i c a t i o n ，i s o l a i o n ， v o l l a g e t r a n s d u c e r ，d a t aa c q u i s i t i o n 5 第一章：绪论 1 1 课题研究背景 第一章：绪论 传统电量变送器是一种将输入的被测电量隔离并按一定的比例变 送为直流电压( 直流电流) 的装置。它的输出可直接与系统远动装置、 计算机和记录仪表的输入匹配，组成数据采集和监测系统，是保证发电 机组和电网安全、经济、稳定运行的重要器件。只有首先从电量变送器 获得真实的被测信号，下一步对信号进行分析、处理才有意义。因此， 电量变送器是数据采集系统中的一个关键环节。 1 1 1 电量变送器的设计要求 电量变送器是整个系统的输入端，担负信号提取的任务。为了在电 力系统运行状态下准确获得被测信号，电量变送器应能满足以下要求： 1 与测量或控制系统匹配性好，在测量范围内线性度好，输出波 形不发生畸变，与被测信号之间的相差小。 2 具有较强的抗干扰能力及良好的电磁兼容性能。 3 工作稳定性好，适应性强。且动作量小，对被测量的状态影响 小，内部噪声小，不受外界干扰的影响。 4 有足够的容量。工作范围或量程足够大，具有一定的过载能力。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 电量变送嚣的特点 从上世纪5 0 年代，电量变送器作为变换式仪表的附件问世至今， 它的综合技术性能的提高，成为电测量仪器仪表行业中发展很快的一个 分支，具有如下特点： 1 测量准确度提高了一个数量级，由2 5 提高到o 1 。 2 品种发展齐全，是电测量仪器仪表中输入规范和输出规范最多 的产品，它的主要品种有：交流电流变送器及其组合式，交流电压变送 器及其组合式，直流电流变送器，直流电压变送器，单相、三相有功功 率变送器，单相、三相无功功率变送器，有功无功功率组合式变送器， 有功功率有功电度组合式变送器，无功功率无功电度组合式变送器， 相位角变送器及功率因数变送器，频率变送器等。 3 变送器的工作电源有：自电源型( 工作电源取自被测信号) 。 外辅工作电源型，包括：交流工作电源型；直流工作电源型。 1 1 3 电量变送嚣的发展历史 按信号传输方式不同，电量变送器经历了三大发展阶段：模拟信号 传输的电量变送器、模拟数字混合信号传输的电量变送器以及全数字传 输的电量变送器0 1 。 1 模拟信号传输的电量变送器 模拟式电量变送器是利用模拟电子技术，从模拟被测量的物理意义 出发实现电气量的测量。上世纪4 0 年代，过程控制仪表是基于气动信 号的，6 0 年代先后引入了0 1 0 叭和4 2 0 徂模拟电流信号标准， 这两个标准对仪表工业发展发挥了巨大作用。d d z 1 i i 型模拟仪表皆以 2 第一章；绪论 4 2 0 i t u d c 信号作为现场信号传输标准。 如图1 1 所示，现场变送器将检测信号变换为4 2 0 i i l a d c 信号， 经双绞线送入控制室内的控制器中，经控制运算之后，将其输出变换为 4 2 0 m a i ) c 信号，传输给现场执行器件，完成过程控制。 图卜1 基于4 2 0 力_ i a 模拟电流信号标准的变迭器结构 f i g1 1 s t n l 咖n ld i a g n mo ft h et r a n s d u c e rb a s e do n4 2 0 n 1 aa n a l o g1 0 0 p 变送器的输出特性近似为恒流源特性，输出4 2 0 i i 认的电流信号。 其中有4 m a 电流是为变送器提供的功耗电流，另外m 1 6 m a 是代表被 测工业过程变量的大小。这4 2 0 i i 认的电流由电源提供，在负载上产生 压降，检测负载上的压降就可以知道电流的大小，从而得到当前被测工 业过程变量的大小。 由于元件性能的不稳定性和模拟量容易受到各种干扰，模拟式电量 变送器的测量精度较低；由于模拟式电量变送器一经制成其参数的调整 范围就非常有限，模拟式电量变送器适应性差：另外，还存在功耗大、 响应时间长、校验频繁等难以克服的问题。 2 模拟数字混合信号传输的电量变送器 4 2 0 i n a d c 作为信号传输标准，系统响应快，简单通用是其主要 优点。但其传输精度不高，易受干扰，一对电缆线上只能单方向传输单 一信息，不仅使电缆用量大，而且也出现了信息传输的“瓶颈”现象。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 9 8 6 年，r c 啪m o u n t 公司提出了h 懈通信协议( 蛳g h w a y a d d r c 鼯a b l cr c m o t et m b s d u c c r ，即可寻址数据通道远传传感器) 。h a r t 通信协议参照国际标准化组织a s o ) 制定的“开放系统互联模型( 0 s 1 ) ”， 简化使用了其第1 、2 、7 层，即：物理层、数据链路层及应用层h a j 盯 通信协议是过渡性现场总线标准。 尽管一些观点认为，h m h 协议只是一种延长4 2 0 i i 叭模拟标准使 用期限的有用方法，但是h a r t 不仅在于向现场总线迈进了一步，而且 在其能力范铟内，作为有益于现场设备操作员的信息处理技术，是有效 而实用的。在其物理层中，h 棚协议采用了基于b e u 2 0 2 通信标准 的频移键控技术( f s k ) ，使数字信号调制后叠加于4 2 0 m 舡 c 信号 上，数字信号使用1 2 0 0 h z 和2 2 0 0 h 睦两个不同的频率分别对应数字 1 和数字0 ，通信时频率变化的平均分量为0 ，使数字信号和模拟信号 互不影响。h a r t 协议的智能变送器输出信号波形如图1 2 所示。 + 0 5 m 0 m a 0 j m a 1 2 0 0 h z “l ”兹0 0 h z 。0 ” 图l - 2h a r t 协议智能变送嚣输出信号波形 f i g1 2f i g1 2w h 他f 0 皿o fh a i 盯p r o t o c o i 由于h m 盯协议采用了4 2 0 吼a d c 信号和数字信号的混合传 输方式，使其不仅可利用4 2 0 x 北京交通大学硬士学位论文 信道为一对一，即一( 或二) 对导线上只能传输一个变送器输出信号，且 只能单向传输 智能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理 量进行数字化处理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进行数字通 信。使用数字通信的信道复用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用 一条通信总线，大大减少了现场信号引线。微处理器直接对被测信号进 行数字化处理，使变送器的测量精度和量程比大为提高，还可克服温漂 和各种零漂影响，有的还具有直接p i d 输出等高级处理功能。 智能变送器在国外已获得日益广泛的应用。1 9 8 3 年，美国 h e y w e u 公司将第一个称为s m a n 变送器的s t j 一3 0 0 0 d 压力变送 器推入了美国国内市场，使智能变送器进入了商品化。随后美国的 r o s c m o u n t ，f o x b o i o 等一些公司在1 9 8 6 年美国仪表学会f 1 s 舢的会 议上争相推出了一些称为s m a n 变送器的新型智能变送器系列。由于 智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，加上采用 超大规模离子注入技术及超精细加工工艺技术，它的优点是一般变送器 无法比拟的： 1 数字信号输出功能。 2 有较高的精度和较好重复性。一般智能变送器精度为0 1 。 另外由于智能变送器有环境温度及静压补偿，不受日夜、冬夏温差变化 的影响，具有很好的重复性。 3 宽量程比。智能变送器量程比普遍达到4 0 ：1 以上，而普通型 变送器一般为1 0 ：1 。宽量程比可使变送器本身的实用性，通用性得以 提高，给用户及设计者带来方便，注垫强筚五题堑姑 x 第一章：绪论 它使仪表变得更灵巧。它的发展是与传感器技术和计算机技术的发展分 不开的，新一代的交送器必然是全数字化的。它最适用于测量范围变化 较大、环境条件较差而要求测量精度高和采用数字通信的大型控制系统 及特殊应用场合。 1 2 课题研究意义 1 2 1 隔离的必要性 在一些现场环境恶劣的情况下，操作人员无法到达现场而必须远距 离的采集或控制模拟信号，距离远至几公里到几十公里，除了由于工业 现场的各种干扰( 如天体放电干扰、电晕电火花放电干扰、电气设备频 率干扰、感应干扰) 会通过不同的耦合方式进入测量系统使信号严重失 真外，由于现场测量电路地线和后端采集电路的地线之间往往存在几千 伏、甚至上万伏的共模电压，如用电缆直接相连，会产生很大的接地环 路电流，对设备及操作人员的安全构成极大的威胁，因此必须在相互隔 离的状态下才能完成高精度的测量。 图1 - 3 示波嚣浮地 f 9 1 3 同o a t i n g t h es p e 了 第一章：绪论 1 变压器隔离 采用变压器耦合的隔离器件，如变压器耦合隔离放大器3 5 6 5 ，对 输入级的直流或交流信号进行调制，利用变压器将其耦合到输出级，然 后经过解调恢复为模拟信号。此种方式被广泛的用来隔离模拟信号，如 图1 - 5 所示。变压器耦合的隔离器件可抑制几千伏、频率为几m h z 的 电压；直流输入时，可达1 0 0d bc m r 。然而，变压器耦合隔离器件本 身构成一个电磁辐射源。如果周围的电路对电磁辐射敏感，就应设法予 以屏蔽。用隔离变压器切断接地环路，最适用于信号不含直流分量时， 另外宽带信号不宜用它。理想的变压器在初级和次级之问存在分布电 容，该分布电容允许干扰经变压器进行耦合，因而该分布电容的大小直 接影响它的高频隔离性能。也就是说，该分布电容为信号进入电网提供 了通道。所以在选择变压器时，必须考虑分布电容的大小。在使用变压 器时，必须加静电屏蔽并接地，这可减小分布参数，因为静电屏蔽破坏 了初、次级间的直接耦合，因而也就能降低传导干扰。 1 w h 慨 b 越五h h i 出v o n e 弘 il a w v 0 1 t 呼 i 坤咀s i d e一矗、o 恤。吐s i d e 圜l 阵茎咽 图1 - 5 变压器隔离 f j gl 一5m a 卸e t i ci s 0 1 a l i o n 脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体 磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特别小，仅为几个p f ，所以可 9 第一章：绪论 流为1 m n a 1 5 m a ，所以即使有很大幅度的干扰，这种干扰也会由于 不能提供足够的电流而被抑制掉。 然而，在检测微弱信号时，当驱动电流比较小时，发出的光弱到不 足以被光电管检测出来，这样会存在一个“死区”，响应速度一般是u s 级；而且光耦的寄生分布电容的影响，在高的共模电平下，会使光耦输 出一个窄脉冲，对采集电路引入噪声。 目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2 5k v 以上，有些器 件达到了8 k v ，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光 电耦合器件( 频率高达1 0 m h z ) 。常用的器件如：4 n 2 5 ，其隔离电压为 5 3k v ：6 n 1 3 7 ，其隔离电压为3 k v ，频率在l o m h z 以上。 b ，出崦 b 妇 哑霎缸 一i t 图1 7 光耦隔离 f i g1 7o p t j c u p 】c di s o l a l i o n 综上，以上隔离方式的隔离电压一般只能达到5 k v 左右，隔离度 不甚理想。选用市售智能光纤隔离变送器容易造成功能浪费，况且隔离 度高的市售智能变送器价格是相当昂贵的，经济性差。 为了在保证高隔离电压值的同时保证一定的经济性，本文提出了一 种适用于远距离传输的光纤隔离电压变送系统，隔离电压可随距离的增 大而增大，理论上不受限制。目的是把前方的电压采集后采用光纤实现 前端与后端电路的通信，并变换成为后端可以接受的电压范围，以用于 后端控制室的数据分析和处理等。系统的前端和后端均采用了完全集成 北京交通大学硕士学位论文 的混台信号系统级掣 剥剽。 霆鏊：雒翌勰数魏掣薹基蟊崩雕嚣誊副鞘缮溶m 臻；d 嶝嘎滋臻 型噎上攫峪螬崾旭强鸶霎蕈垂妻霎薰j 采蚤齐结雾事誊黪副趔墅甄剐i 滢理蹿涩灞。妻虿恐酉基毽幢君奈俚理佰万嚣刨缓淄每功期蹲漆晦皤嘲 晕曩耋主，謇訇剐莹黝矧赛蔺博彳画塌。稠碓姜拦聪锤薯瞄髯的勤袖阮薹用 了光纤 通信尤其是数字光纤通信的优点，证明了本系统采用光纤隔离通信的合理性和可操作性。 x 第一章；绪论 号，而且采样点是以时间为顺序的，利于处理和显示。实时采样也有很 明显的缺点，就是其时间分辨率较差，由于每个样点的采入、量化和存 储都必须在小于采样间隔的时间内全部完成，如果要求采样率很高( 比 如上百m s p s ) ，那么所采用的a d c 和存储、控制等电路就必须有很高 的响应速度才行。等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率， 但是，这种技术要求信号必须是可重复产生的。 采集的样本可以是时序的( 步进、步退、差频等) ，也可以是随机的。 由f 波形可以重复取得，所以采样可以用较慢速度进行，经过对信号多 个周期的重复采样，然后把许多采集的样本合成一个采样密度很高的波 形。这样可以大大降低对a d c 转换速率的要求就可以达到比较高的采 样速率。一般也把这种技术称为“变换采样”。采样方式的分类如表1 1 所示。 表1 1 采样方式分类表 1 _ a bl lc l a m c a c i o no f 酬吣m o d e 从以上分析可以看出，由于本论文中设计的电压变送器，其要求的 采样率并不很高，有很多商业a d c 器件都可以满足要求，而且采集的 控制和存储等都不很困难，因而采用实时采样方式是比较合适的。 北京交通大学硬士学位论文 1 3 2 系统技术指标与任务 根据项目要求，本光纤隔离的电压变送器主要技术指标如下： 最高采集速率：1 0 0 b p s ； 测量精度：o 1 ： 测量电压范围：0 枷v ； 变换后电压范围：0 1 0 v ： 采集方式：连续实时采集； 传输距离：约2 0 0 0 m ； 相关项目：中国电科院大功率实验站网络试验测试系统。 1 4 本论文主要内容 本论文以整个系统的硬件设计及软件调试为主要研究对象，主要任 务是模拟信号的调理、数字部分的逻辑与单片机软件编程以及整个系统 的协调工作。 本论文第一章首先简要概括了本课题的研究背景和研究意义，并提 出了相应的课题要求。第二章介绍了光纤通信的发展概况，接着阐述了 光纤通信的原理以及特点，然后给出了典型的光纤通信系统的结构，为 整个的设计奠定了理论基础。 本论文中，将整个系统主要分为前端和后端两个部分，第三章介绍 了系统的硬件设计，包括前、后端的电源模块、信号调理模块、d 以 及d 舱模块、信号通信模块以及光电模块设计等等。设计中综合考虑 了设计预定指标、仪器工作环境以及抗干扰等因素，同时在元器件的选 1 4 第一章：绪论 择上充分考虑了器件的性价比。第四章中，将系统的软件编程分为a ，d 与d a 转换、量程转换、数据通信以及量程显示等部分，并分别进行 了详尽的介绍。论文的第五章则进一步的对系统的抗干扰、误差校正、 以及低功耗设计方面进行了探讨，大大提高了系统的性能。给出了系统 实验结果，分析了实验波形及误差。第六章对整篇文章做了概括性的总 结，并给出了未来的努力方向。 1 5 本章小结 本章作为整篇论文的绪论，详细介绍了本课题研究的专业背景，电 量变送器的特点、设计要求、发展历史以及现状，详细论述了隔离的必 要性，并对于目前广泛被采用的隔离方式做了仔细的分析和比较，得出 各种隔离方式的优缺点，确定采用光纤传输的隔离方案；最后，根据项 目实际要求提出了系统的总体设计指标，确定了采集方式，给出了系统 的具体设计指标以及本论文的主要内容。 第二章：光纤通信 在通信系统中，发送信息端叫做信源，接收端叫做信宿，信源的信 号经过调制后通过电缆和电磁波发送到信宿端，在信宿端将接收信号解 调以实现信号的恢复，从而完成信号的传输。光纤通信则是在信源端需 要将电信号转化为光信号，通过光纤传输到信宿端，再将光信号转化为 原始的电信号的一个过程。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接 收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同。不 同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统 代替了电缆传输系统。 实现光纤通信除了需要将传统多样的电信号转换为光信号的装置， 还需要有传输光信号的介质以及将光信号转换为电信号的装置。所以在 光纤通信中有三个主要的技术问题：便于应用且性能优良的光源；能长 距离传输光信号的传输介质：灵敏地接收光信号并能把光信号转化为电 信号的光检测器。 2 1 1 光源 光源是光纤传输系统的心脏部件，它的功能是实现电光转换，其 性能的好坏对整个传输系统的质量有举足轻重的作用。随羞半导体光器 件制造工艺的不断成熟，半导体光源在光纤通信中得以广泛的应用。 常用的半导体光源有发光二极管( u ! d ) 和半导体激光器( u ) ) 。u ) 发 出的是激光，亮度高、方向性强、相干性好，工作速度快，适合于传输 容量大，传输速率高的光纤通信系统。而u m 发出的是自然光，光功 率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但是成本较l d 低，平均工作 寿命较长，性能稳定，而且制造工艺简单。因此这种器件适用于中短距 离、传输容量较小的系统。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 根据光纤在o 8 5 啪1 3 1 u m 和1 5 5 u m 附近呈现低损耗的特性， 结合半导体发光材料，其辐射波长能够覆盖上述范围的是砷化镓( g a a s ) 化合物，而且在此基础上发展三元和四元化合物很方便。因此，目前在 长、短波长的数字光纤通信中广泛使用的光源器件是h i g a 舡m n p 双异 质结( d h ) 半导体激光器与发光二极管和a l g a a 帕a a - s 双异质结半导体 激光器与发光二极管。 光源在光纤通信系统中，作为产生光信号的光源，应满足以下要求： 1 ) 体积小，与光纤之问有较高的耦合效率。 2 ) 发射的光波波长应位于光纤的三个低损耗窗口，即o 8 5 啪， 1 3 1 u m 和1 5 5 u m 波段： 3 ) 可以进行光强度调翻。 4 ) 可靠性高，要求它工作寿命长、工作稳定性好，具有较高的功 率稳定性、波长稳定性和光谱稳定性。 5 ) 发射的光功率足够高，以便可以传输较远的距离 6 ) 温度稳定性好。 2 1 2 光纤 光纤通信系统，顾名思义与光纤是密不可分的。光纤是光导纤维 的简称，由直径大约为o 1 m m 的细玻璃丝构成。它透明、纤细，虽比 头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。它 由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包 层外还往往覆盖一层塑料加以保护，其中包层直径一般为1 2 5 u m 。 光纤分为单模光纤和多模光纤两种。单模光纤的纤芯直径很小，模 场直径只有9 1 0 i i m ，光线沿直线传播，信号畸变小，只能传播一个模 北京交通大学磺士学位论文 接收端实现电信号的还原 光端机包括光发射机和光接收机，是光纤传输系统的重要部件。数 字光发射机的功能是把电端机输出的数字基带电脉冲信号转换为光脉 冲信号，并用耦合技术有效注入光纤线路。系统中，用承载信息的数字 电信号对光源进行调制来实现电，光转换，受调制的光源特性参数有功 率、幅度、频率和相位。数字光接收机的功能是以最小的附加噪声及失 真把经光纤传输后幅度被衰减、波形被展宽的微弱光信号转换为电信 号，并放大处理，恢复为原发射的致字序列。 因此光接收机的输出特性综合反映了整个光纤通信部分的性能。他 们利用半导体物理吸收光子后形成电子一空穴对把光功率转化为电流。 目前广泛使用的光电转换器件主要有两种类型：p i n 光电二极管 ( p i n p d ) 和雪崩光电二极管两种( a p d ) 。 一个完整的光通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多 其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能 的扩展或性能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同 的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作范围宽、性能稳 定、寿命长、体积小、价格便宜等，许多器件还要求便于集成。 尽管光纤通信从诞生到现在仅有几十年的时间，但其发展十分迅 速，许多技术在一定程度上已经成熟，并不断地产生新的工艺、新的方 法，像密集波分复用，光纤放大器等技术。可以预言，光纤通信系统将 成为未来国家信息基础设施的支柱。 2 2 光纤通信的优点 北京变通大学硬士学位论文 光纤原材料是由石英制成韵绝缘体材料，不易被腐蚀，而且绝缘性 好。与之相联系的一个重要特性是光波导对电磁干扰的免疫力，它不受 自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受人为 释放的电磁干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构 成复合光缆。这一点对于强电领域( 如电力传输线路和电气化铁道) 的通 信系统特别有利。由于能免除电磁脉冲效应，光纤传输系统还特别适合 于军事应用。 4 对电气绝缘。 因为光纤是用玻璃材料构造的，它是电气绝缘体，因而不需要担心 接地回路。光纤之间的串扰非常小。设备接口问题也简化了。光纤在电 气危险环境中的应用是很吸引人的，因为它不会产生电弧和火化。 5 无串音干扰，保密性好。 在电波传输的过程中，电磁波的泄漏会造成各传输通道的串扰 x 第三章：电压变送嚣的硬件设计 第三章电压变送器的硬件设计 变送器是工业过程中重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信 号的测量和变换处理。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复 杂，对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求也不断提 高。 智能变送器采用c p u 后，大大提高系统的可靠性与精度，减少外 部连线，实现一机多用，即以同一检测模板用于不同物理量的检测场合， 满足多种线性与非线性输入信号的精度要求等，还可实现数字化信号传 输，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上一些主要的仪表制造 公司相继研制成功了带微处理机构的各种智能变送器，开创了“智能式” 变送器的新阶段。 本章主要介绍该“智能式”隔离变送器硬件设计，将整个系统分为 若干模块，并分别对其进行详尽的介绍。 3 1 单片机的选择 由于前端电路工作在环境恶劣的采集现场，市电一般无法到达，因 此前端电路需采用电池供电，低功耗是本设计考虑的一个重要因素，结 合系统对采集速度的要求这里采用单片机c 8 0 5 l f 0 0 0 。 c 8 0 5 1 f 0 0 0 是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，有一个真 正的1 2 位多通道，片内有一个可编程增益放大器( 其数字可编程增益 为0 5 、l 、2 、4 、8 、1 6 ) 、两个1 2 位d a c 、两个电压比较器、个2 4 v 2 了 北京交通大学硕士学位论文 电压基准、一个具有3 2 k 字节f l 峪h 存储器、与8 0 5 1 兼容的微控制 器内核；还有硬件实现的( 不是在用户软件中用位操作模拟) 1 2 c ，s m b u s 、u 舢玎、s p i 串行接口及一个具有5 个捕捉比较模块的可 编程计数器，定时器阵列p c a ，还有4 个通用的1 6 位定时器和4 字节宽 的通用数字加l 端口；c 8 0 5 l f 0 0 0 片内有2 5 6 字节的r a m ，执行速度 可达2 0 m i p s ：单片机可以关闭任何一个外设或全部以节省功耗，典型 工作电流2 0 m h z 下仅为1 0 玎m a 。 c 8 0 5 1 f 0 0 0 具有片内v d d 监视器、w d t 和时钟振荡器，是能真正 独立工作的片上系统。它能有效地管理模拟和数字外设，f l a s h 存储 器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场 更新8 0 5 1 固件。每个m c u 都可以关闭任何一个或全部外设以节省功 耗。 片内j 1 a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 m c u 进行非侵入式、( 不占用片内资源) 全速、在系统调试。该调试系 统支持观察和修改存储器和寄存器支持断点、观察点、单步及运行和停 机命令。在使用j t a l g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 c 8 0 5 1 f 0 0 0 其内部的u a r t 提供四种工作方式：一种同步方式，三 种异步方式，如表3 1 所示。 通过设置s c o n 寄存器中的配置位，选择这四种方式，提供不同的 波特率和通信协议。 方式0 提供同步半双工通信。在r x 引脚上发送和接收数据，t x 引脚提供发送和接收的移位时钟。方式0 的波特率是系统时钟频率或系 统时钟频率1 2 ； 2 8 第三章：电压变送器的硬件设计 方同步性波特率时钟数据位起始，停止位 式 o同步s y s c l k ，1 28无 1异步定时器1 或定时8 一个起始位，个 器2 溢出 停止位 2异步s y s c l k 3 2 或9 一个起始位，一个 s y s c ik 6 4 停止位 3 异步定时器1 或定时 9一个起始位，一个 器2 溢出 停止位 表3 - 1u a r t 工作模式 t a b3 1u a r t o p e f a t i a lm d e s 方式l 提供标准的异步全双工通信，每个数据字节共使用1 0 位。 方式1 的波特率是定时器溢出周期的函数。u a r t 可以使用定时器1 或 定时器2 工作在自动重装载方式产生波特率。 定时器1 在用于波特率发生器时，应被配置为自动重装载的8 位计 数器定时器。s m o d 位( p c o n 7 ) 选择是否将定时器溢出率除以2 ， 系统时钟频率和t h l 中的重载值的组合决定波特率： 方式1 或3 波特率= ( 2 s m o d 腊2 ) ( s y s c u “1 2t 1 m 1 + ( 2 5 6 t h l ) ) 如果使用定时器2 作为波特率发生器，应将定时器配置为波特率发 生器方式。s m o d 位( p c o n 7 ) 选择是将s y s c u 【除以3 2 还是6 4 ， 系统时钟频率和保存在捕捉寄存器中的重载值的组合决定波特率： 方式1 或3 波特率= s y s c u “【3 2 6 5 5 3 6 【r o 圩2 h ：r o 廿2 l 1 方式2 提供异步全双工通信。每个数据字节共使用1 1 位，一个起 始位、8 个数据位、一个可编程的第九位和一个停止位。方式2 的波特 率是系统时钟频率的直接函数： 第三章：电压变送器的硬件设计 5 v 电压下发送接收操作的数据速率高达3 m b i 怕，3 3 v 电压下为 2 m 篓骢h 卿驸疆羹l 薹鬟；l l 髓颡蟊搭叮垂嚣l 卧羁瓣礁托! ； e 拔鞫酗“鞭姥霸强“鼹瓢酱； ，囊鹳静鼬臼日确私塞! 詈忏塘晦邀即h 。 ；鳃崩蛩型鼢引旺到酬? 确而曲芦刊轹雾采； ! 鬻懒蹬糍驾瑁淄撷嗵唧旧! 引掰。棼氧率( b a u d r a t e ) 。发送和接收设备的波特率应该设置成一致，如果两者的 波特率不一致，将会出现校验错误或者帧错误。高速u a r ts c l 6 c 5 5 0 异步串行通信的帧格式以及读写时序如图4 - 4 和图4 - 5 所示。 搿 留訾嚣翟r 图“sc 1 6 c 5 5 0 发送时序图旧 f j g “ 留訾嚣翟r 图“scl6c550发送时序图旧f j g “s c l 6 c 5 5 0 tfansinitijming 砬x 第三章：电压变送嚣的硬件设计 或超时、发送器保存寄存器为空或m o d e m 状态中断被使能。当有中断 正在处理或主机复位都可使i n t 复位( 无效) 。 + 3 3 v e a v d d p 0 2 p o 日 p 1 d p 2 7 7 龄要晕 o _ 一t x d x t a l l x t a l 2 r e s e t v c cv s sa s 图3 1s c l 6 c 5 5 0 与单片机的接口电路图 f i g3 - n l c r f a c cb e t w e e ns c l 6 c 5 5 0 蛆dc 8 0 5 1 f 0 0 0 s c l 6 c 5 5 0 与单片机的接口电路如图3 1 所示。保持c s o = c s l = 1 ， 岱2 = 0 以选择u 川玎有效；b a u d o u t 发送的波特率是u a r t 发送器 时钟的1 6 倍，将其与r c u ( 相连作为接收时钟；单片机发送的并行8 位数据经数据总线进入s c l 6 c 5 5 0 ：锁存器7 4 h c 5 7 3 的片选0 c 接地保 持其一直有效，若发送的地址信息时，则将m 正位置低允许地址锁存， 地址锁存器7 4 h c 5 7 3 进行地址锁存；由地址位中的a o 、a 1 、a 2 选择 s c l 6 c 5 5 0 的寄存器，并由单片机对所选的各寄存器赋值来实 匀矣蜉萑暇 彗蠹妻蕊鼙蕈鸟i淬凄?毫b。篓巧鬈喜茎羹薹露l捕蓉掣狰蠹譬鄞塞囊 “i 丁；錾霎葫瑶梨藜罐4 蔫藿霸埘掣泵露蓬藩勰稿封孔驯羹喃嗡壁萋曰深嘻濡唑薹羹雾，强嘎蔓li=正蠢辇能墓喜“了气塞：霎墓麓莹囊嘻垂 冀出赘酝惠鬻婆j|亡=蠢若点器；x 北京交通大学硕士学位论文 s c l 6 c 5 5 0 的各种功能；t x 与r x 引脚分别是串行数据写和读引脚， 前端电路使用t x 发送数据，后端电路使用r x 接收数据。 3 3 前端电路硬件设计 前端电路硬件设计总体框图如图3 2 所示，输入的待采集电压信号 ( o 4 0 0 v ) 经分压电路、量程转换电路以及信号偏置电路等前端 信号调理电路后，进入单片机进行a 仍转换；转换后从单片机输出的 并行1 2 位数字信号以及量程信号送至高速u a r ts c l 6 c 5 5 0 ，经由 s c l 6 c 5 5 0 添加起始、停止位，串行发送至光发射器件：最后由光发射 器件把“0 ”或“l ”的数字电信号转换为光信号通过光纤发送给后端控 制室。 一i 亘硅亚不 _ v i 釜 彭 西 电 号“d 堕 _ _ n 偏 转入 片 8 1 蹇 鼋 - - - 置 机 电 路 路 图3 2 前端电路框图 f t g3 - 2 瑚o c l 【d i a g f a mo f 缸m tc i f c i i i t 3 3 1 前端信号调理电路设计 在现代测量系统中，仪器的精确度很大程度上是由所采用的模数转 换器a d c 来决定的。a d c 的转换精度限定了仪器的转换精度。为了提 第三章：电压变送嚣的硬件设计 t v s 管( 瞬变电压抑制二极管) p 6 k e 4 4 0 c a 。当它的两端经受瞬间的 高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻 抗，吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值 上，保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。 待测信号( 4 0 0 v 叶4 0 0 v ) 经过分压电路以后( 2 v + 2 v ) 输入到 p g a 2 0 2 中；单片机的p 1 3 以及p 1 4 作为p g a 2 0 2 的增益控制端，a 玳o 作为a d 转换的输入端。整个系统的量程由p 1 3 、p 1 4 以及单片机a d c 配置寄存器a d c o c f 中的a m p g n 2 0 位控制。预先置p 1 3 = 0 和p 1 4 = o ，以及c 8 0 5 1 f 0 0 0 内部a d c 配置寄存器a x 北京交通大学硕士学位论文 图3 - 5 前端电压偏置电路 f t 9 3 - 5v o j t a g eb i 鹅o f 丘o n t c i r 伽j t 如图3 5 所示，本设计采用低噪声低功耗高速精密放大器o p 2 7 构 成加法电路作为前端信号偏置电路。初始化时，令1 2 位的d a c 0 输出 为2 v 作为偏置电压。由图3 5 可知r 8 = r 9 = 1 0 脓，则输出与输入关系 为： c o + 2 0 2 d w2 巩0 ( 3 1 ) 由上式可知，通过由放大器o p 2 7 组成的偏置电路后，输入信号偏 置为0 2 v ，随后输入到单片机c 8 0 5 1 f 0 0 0 中进行a 仍转换。 图3 5 中l m p 8 1 0 为单片机电源监视器，l m p 8 1 0 可采用3 o v ，3 3 v 或5 o v 供电，这里我们采用单片机供电电压3 3 v 供电以监视单片机供 电电压。当电源电压低于某一预置最低供电电压值达到1 4 0 m s 时， i m p 8 1 0 的r e s e t 管脚交为低电平，使单片机复位。其中i m p 8 1 0 的 后缀不同，预置的最低供电电压也不同，具体如表3 3 所示。 柏 第三章：电压变送器的硬件设计 i e 艚t1 1 1 r e 小 d d s m x 、i - i a g pt 、) l4 8 3 m4 3 8 j4 0 0 t3 0 8 s2 r2 6 3 表3 3l m p 8 1 0 后缀与最低供电电压对照表 t a b3 3v o 】t 4 9 ci h r h o l d0 f l m p 8 1 0 因为单片机最低供电电压为2 7 v ，这里我们采用r 后缀的i m p 8 1 0 ， 最低供电电压为2 6 3 v ，则当供电电压低于2 6 3 v 达1 4 0 m s 时，单片机 复位，电压不足指示灯报警，提醒工作人员更换电池。 3 。3 2 光发射电路 光传送包括光发射和光接收两个部分。现在市面上有很多的激光 器，我们采用光收发器件h f b r l 4 1 4 t 和h f b r2 4 1 6 t ，它们的体积小， 功耗低并且安装方便。其中h f b r1 4 1 4 t 为光发射器，h f b r2 4 1 6 t 为 光接收器。这套组合是h f b r 0 4 0 0 系列中的0 4 1 4 系列，它使用于以太 网，典型带宽为1 2 5 m h z ，信号传输速率为2 0 m b i t s ，传输距离可达 2 7 0 0 m ，速率更小时，传输距离还可以更远，并且可工作的温度范围很 大。此系列采用6 2 5 1 2 5 | im 多模玻璃光纤。型号标志t 表示所用的光 缆接头是s t 型的，这种接头与传统的b n c 电缆接头十分相似。光发 射器h f b r l 4 1 4 是一种g a a l a s ( 由半导体镓铝砷组成，该材料使用于 8 5 0 姗波段) 激光器，工作波长为8 2 0 m ，其内部电路主要就是一个半 导体发光二极管。发射器h f b r1 4 1 4 与接收器m b r2 4 1 4 内部结构图 4 1 北京交通大学硕士学位论文 如图3 6 所示。 = 6 疆扫睡黔 光波也是一种电磁波，目前使用的光源波长范围在近红外区内 ( o 8 1 即m ) ，可分为短波长波段( 8 5 0 i l m ) 和长波长波段( 1 3 0 0 i i m 和 为现在常用的波长，本系统使用8 5 0 l l m 这个窗口。 图3 _ 7 邱圈暇1 4 1 4 的驱动电路 h g3 7 舯r 1 4 1 4 出i y c r f 0 j 1 1 l j n l e f f a c e 第三章：电压变送器的硬件设计 值。 电路参数( 如图3 7 所示) 可由下列设计规则公式计算得出其近似 r ，：坠掣幽 1 f d ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 推荐b 值为： 曰皇3 9 7 当t r li n 即电信号输入为高电平时，7 4 a c t 0 0 的3 脚输出为低 电平，使7 4 a c l 0 0 的3 脚输出与讹的4 、9 、1 2 脚相连，v c c 与7 4 a c t o o 的5 、1 0 、1 3 脚相连，则此时6 、8 、1 1 脚的输出均为高电 平，h f b r1 4 1 4 中的二极管截止，不发光。而当t r ll n 即电信号输 入为低电平时，讹c 珊o 的3 脚输出为高电平，此时6 、8 、1 1 脚的输 出均为低电平，h f b r1 4 1 4 中的二极管导通发光。此电路的最大数据 速率可达1 5 5 m b d ，信号波形的上升厂f 降时间为3 s 。 3 3 3 前端电源电路设计 由于前端数据采集电路工作在环境比较恶劣的工控现场或电力系 统中，一般市电无法到达，所以需要采用电池供电。前端电源电路原理 图如图3 8 所示。 4 一 o 型 生揸 一绉 加一一 i 耳 省 r r q 北京交通大学硕士学位论文 叽 附e 盯 i m 图3 - 8 前端电路电源设计 f j 9 3 8 p d w e r 蛐p p 匮y f o r f r o n l d f c u i t 本设计采用了三节h c 】删镍锌电池串连，每节电池容量为 1 6 0 0 玎认h ，电压输出为3 1 2 v = 3 6 v ；同时设有稳压电源接口，如果 条件允许，也可