摘? 要: 應用串行同步傳輸原理,用一種小巧的光發射/接收器對設計成光纖通訊系統,將A/D" title="A/D">A/D采樣數據直接進行遠距離高速傳輸。實踐證明該方法簡單、可靠,具有一定的實用價值。
關鍵詞: 高速數據? 遠距離采集? 光纖通訊? 多路同步
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電力變壓器局部放電" title="局部放電">局部放電在線定位監測系統的關鍵環節之一是準確、可靠的數據采集" title="數據采集">數據采集與傳輸。根據電力變壓器局部放電產生的超聲波和電脈沖信號頻率高、頻譜寬、幅度變化大,環境電磁干擾嚴重,以及電力變壓器與中心控制室距離一般在500m范圍以內,而多路檢測信號集中在變壓器周圍等特點,電力變壓器局部放電在線定位監測系統的信號檢測采用現場集中數據采集方案,數據傳輸直接利用一種低價、高速、中遠距離多模光纖HFBR-1414/2416發射/接收器對實現遠距離光纖高速同步傳送。這樣可大大簡化控制器的電路結構,省去繁瑣的數據傳輸編碼和解碼,數據傳輸速率也得以進一步提高。
1 HFBR光器件簡介
由惠普公司生產的光纖HFBR-1414/2416發射/接收器對具有如下主要技術特性:
·發射光波長820nm
·最高數據傳輸速率155MBd
·最長傳輸距離4km
·適用光纖:50/125μm,62.5/125μm,100/140μm,200μmHCS
·工作溫度范圍:-40℃～+85℃
·ST、SC、SMA和FC四種連接頭選擇
·8管腳DIP封裝
HFBR-1414/2416光纖發射/接收器對的內部結構與管腳排列如圖1所示。HFBR-1414光纖發射器內含一個高效光功率激勵的鋁砷化鎵光發射器,該光發射器在60mA直流電流激勵下能向光纖中饋入光波長為820nm的光功率-12dBm。HFBR-2416光接收器由一個高效PIN光電二極管和一低噪聲跨阻前置放大器電路組成。該放大器由于跨阻抗作用使得放大器的帶寬和非線性得到了較大的改善,同時也獲得了較大的動態范圍。光信號經光電二極管轉換成模擬電信號,放大后由射極輸出器緩沖輸出,最大動態范圍達23dB?熏頻率響應從直流到125MHz。
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2 發射/接收器對的TTL接口電路
對于HFBR-1414光發射器必須提供足夠的正向驅動電流IF才能發出所需光功率,由高性能的CMOS數字電路四二輸入正與非門74ACT00設計的驅動電路如圖2所示。具有TTL電平的串行數據(或同步時鐘)從與非門U1D的輸入端12輸入,反相后由74ACT00的三個與非門U1A～U1C并聯輸出驅動HFBR-1414光發射器,產生足夠的光功率。為避免驅動器的電流特性對光發射器光學開關特性的影響,運用頻率補償技術改善光信號的上升/下降沿,通過給HFBR-1414光發射器提供一定的預偏置電壓,來減小傳播延遲誤差所引起的脈寬失真。電路參數可由下列公式計算:
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HFBR-2416光接收器的輸出為模擬電信號,為了與數字系統兼容,須通過圖3所示的高速比較電路進行變換。比較電路由超高速、低功耗、高精度TTL比較器LT1016集成芯片和一些外圍元器件組成。HFBR-2416光接收器輸出的模擬信號經C1、C2耦合到比較器的兩模擬輸入端,經U1比較后恢復出與發射端相一致的TTL信號,以相反極性從兩輸出端輸出。電路中的R8、R9和C4組成低通濾波器,用以提高光接收器對電源和外部噪聲的抑制能力。比較器的輸入耦合電容由下式確定:
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由光發射/接收器對與上述TTL接口電路所組成的通訊通道,最大數據傳輸速率可達32MBd,最大傳輸距離800m。
3 遠距離高速數據采集與傳輸系統設計
電力變壓器局部放電在線定位監測系統的數據采集與傳輸系統結構如圖4所示。整個系統由7路數據傳輸通道和1路同步時鐘傳輸通道組成,分為現場數據采集與傳送和主控數據接收與存儲兩大部分,彼此之間用8芯光纜連接;數據的采集、傳輸和存儲統一由數據采集與傳送控制器的同步時鐘協調控制。
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3.1 數據采集與傳送
數據采集由TLC876模數轉換器完成,該芯片為CMOS低功率10位20MSPS模數轉換器,以多級流水線結構原理設計而成,內部串聯五級ADC子模塊。芯片在輸入時鐘控制下,轉換過程分級進行,每級轉換獲得2位結果,逐級精化,直至最后一級達到10位分辨率輸出。輸出結果就一個采樣值而言,僅需一個時鐘周期,但從模擬值采樣到10位數字量輸出有5個時鐘周期的延遲。傳感器檢測到的變壓器放電信號,經放大器放大到-5V～+5V電壓范圍后,被送到A/D轉換器的模擬輸入端。A/D轉換器在2MHz時鐘ADCLK控制下連續不斷地對其采樣和輸出。
TLC876輸出的10位并行數據由數據采集與發送控制器的鎖存" title="鎖存">鎖存脈沖/SLOCK將其鎖存于2片并串轉換移位寄存器74F165中的D1～D10中。而寄存器的D0位則鎖存固定電平“1”作為發送數據的起始位,D11～D15位鎖存固定電平“0”作為發送數據的停止位。被鎖存的16位并行數據在傳送控制器的12個移位脈沖STCLK作用下,被轉換成數據隊列D0～D11串行輸出。移位時鐘速率32MBd。
數據采集與傳送控制器作為采集與傳送控制核心,除負責產生A/D轉換時鐘ADCLK、數據鎖存脈沖/SLOCK和同步移位脈沖STCLK外,還必須將同步移位時鐘脈沖SCLK傳送到接收端去,用于串行移位數據的串并轉換" title="串并轉換">串并轉換同步移位時鐘和同步信息的檢測與恢復。時序關系如圖5波形的采集與傳送時序部分所示。由圖5可見,一個采樣數據傳送周期需16個OSC1時鐘周期,其中12個OSC1時鐘周期用于傳送12位數據,其它4個OSC1時鐘周期作為同步信息發送時間,這段時間不發送時鐘脈沖,接收端控制器將根據間隔時間的檢測恢復同步信息。數據采集發送控制器采用一片可編程邏輯陣列芯片GAL22V10設計,通過編程實現內部4位二進制計數器對輸入時鐘計數,其4位輸出結果與邏輯組合電路一起實現各項時序。控制器輸入時鐘頻率32MHz,由有源晶振提供。
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由并串轉換移位寄存器輸出的采樣數據流,經光發射驅動電路功率放大后激勵HFBR-1414鋁砷化鎵發光器發光并饋入光纖。
3.2 數據接收與存儲
接收端的光接收器HFBR-2416將光纖傳來的微弱光信號轉變成模擬電信號,再經TTL比較電路恢復成與發送端相一致的TTL電平數據流,送入串并轉換移位寄存器的串行數據輸入口。
串并轉換用2片串并轉換移位寄存器74F164串聯組成16位并行輸出,串行輸入的轉換電路。從數據接收通道送來的數據流在同步移位時鐘作用下,被轉變成與發送端數據一致的并行輸出數據。由于同步時鐘是通過同步傳輸通道,由發送端與數據一起傳輸到接收端的,它們的傳輸條件一致、時序與時延一致,所以數據的移位同步性很好,經轉換的并行數據可靠性也得到了充分保證。
串并轉換輸出的12位并行數據中的D1～D10共10位數據為A/D采樣輸出數據,被直接送到64kW數據存儲器RAM數據總線的D0～D9位。而起始位D0和終止位D11則被送到接收與存儲控制器的內部數據校驗器中進行同步校驗,所得校驗結果RAMD15=/(D0./D11)作為數據正誤標志(“0”正確，“1”錯誤)送到存儲器RAM的數據總線D15位。被送到存儲器總線上的數據在接收與存儲控制器產生的寫脈沖/IWR作用下?熏存儲在相應的存儲單元中。
數據接收與存儲控制器由CPLD復雜可編程邏輯器件EPM7128S的一部分(另一部分作控制接口設計)設計而成,通過編程實現如下電路功能:
·同步移位脈沖計數器;
·7路數據起始與終止位同步校驗;
·寫脈沖/IWR形成;
·存儲器地址A0～A15發生器;
·存儲地址計數脈沖ATRR形成;
·同步信息檢測與同步控制。
接收器與發送器的數據同步由74F161計數器與CPLD的內部邏輯電路組成同步信息檢測器,對同步傳輸光路傳輸來的移位時鐘進行檢測并實現同步控制。74F161計數器計數時鐘由OSC2提供,頻率與發送時鐘頻率相一致,由32MHz有源晶振產生。計數器的清零輸入來自經CPLD內部反相器反相的SCLK,同步時序見圖5的接收與存儲時序部分。在數據移位期間,每來一個移位時鐘脈沖,計數器就清一次零。而在每個移位脈沖的周期內,計數器的計數時鐘輸入端有同頻率的時鐘脈沖OSC2輸入,計數器可能對其計數。從理論分析,它有兩種情況:第一種情況是計數脈沖的上升沿在復位脈沖的低電平時出現,計數器因處于復位狀態而不會計數;第二種情況是計數脈沖的上升沿在復位脈沖的高電平時出現,這時計數器會加1。但不管怎樣,在整個移位脈沖期間,計數器的計數值不會超過1。當12位數據發送結束,接下來是4個不發脈沖的同步信息時間,在這段時間內,計數器的計數值會累加到4,既QDQCQBQA=0100B。通過CPLD的內部邏輯組合,產生出寫脈沖/IWR=/(/QD./QC.QB.QA.OSC2)和地址修改脈沖ATRR=(/QD./QC.QB.QA./OSC2),用于數據的存儲和地址的修改。
上述遠距離高速數據采集與傳輸系統在上電后,發送端A/D轉換器就連續不斷地對信號進行采集并傳送。接收端是否存儲傳送來的數據,由啟動控制信號START確定。當啟動信號產生一個正脈沖后,忙信號BUSY由低電平跳變為高電平,開始一段存儲時序周期。首先控制器檢測同步信息,一旦檢測到第一個同步信息,存儲器地址發生器A0～A15立即清0,地址指針指向存儲器的0單元,開始數據接收與存儲。存儲數據容量由預置計數器的初值決定。存儲過程中,每存一個字數據,計數器就減一,直到計數器的值減為0,使忙信號BUSY由高電平跳變為低電平,結束這段存儲周期。每通道存儲數據容量最大64K字節。
由HFBR-1414/2416光發射/接收器對設計的多路遠距離高速數據采集系統,在電力變壓器局部放電在線定位監測系統中應用,數據采集傳輸性能穩定可靠。該方法也非常適用于傳輸距離不太遠、需大容量數據高速傳輸的一些實時測控系統。
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參考文獻
1 光電子器件技術手冊.惠普公司
2 TI模數/數模轉換器數據手冊.武漢力源電子股份有限公司
3 秦文明. 變壓器局部放電的超聲定位方法.變壓器.1995;3
4 趙曙光. 可編程邏輯器件原理、開發與應用.西安:西安電子科技大學出版社