关于光电转换电源控制系统的设计

光电转换电源是一种基于光供能的、采用光纤传输的、输出电压值不受电网波动影响的稳压源。它是光传能技术中的关键部件，具有良好的抗电磁干扰、抗辐射干扰的性能，是一种安全、洁净的电能装置。   
　　
光电转换电源的主要应用是混合式光纤电流互感器的供电电源，我们将以混合式光纤电流互感器作为光电转换电源的负载来说明光电转换电源数字稳压控制系统的硬件实现方法。  
　　
系统总体结构  
　　
图1为光电转换电源的总体结构。控制室驱动半导体激光器发光，发出的光经耦合器耦合到多模光纤中，从而传输到测量现场；光能在现场通过光电转换器件转化为电能，供给有源器件。虽然在半导体激光器的驱动电路中已经加入了相应的稳压或稳流电路，但是光电转换电源主要应用于远端的电子器件。这样，在光由控制端传输到现场的过程中会有损耗，而光电转换器件的转换效率与环境温度等因素有关，光纤电流互感器的负载也会发生不规则变化，这些就会导致高压侧光电转换后的电压达不到系统正常工作的要求，从而影响系统的正常工作，甚至损坏器件。  


　　
图1 系统总体结构框图  
　　
我们可以采用反馈控制的思想来满足系统要求。根据控制论中有关反馈控制的理论可知，反馈控制系统由数据采集系统和数据处理系统组成。由于采集的是远离控制室的参量，因而应有一个通信系统可以使采集的量传回控制室，如采用光纤通信系统。  
　　
数据采集系统硬件设计  
　　
数据采集部分的主要任务就是采集高压侧(或远离控制室)的电量，经过滤波后传回控制室。这部分包括了微处理器和A/D转换器，而数字量的传输以光纤为主。综合考虑系统性能、工作环境及经济效益等因素，选取单片机89C2051为主控制器。系统中，数据采集部分的功耗是必须要考虑的，故采集部分的核心器件A/D转换器采用ADI公司的低成本、高分辨率A/D转换器AD7705。  
　　
AD7705在工作过程中容易出现端口迷失的现象，为确保它可以正常地工作，还加入了专用看门狗芯片X5045。  
　　
89C2051与AD7705的连接如图2所示。89C2051的RXD引脚和TXD引脚分别接AD7705的DIN脚和SCLK引脚，这样就可以采用单片机的串口工作方式0对A/D转换器的相应寄存器进行设置，并读取转换数据；89C2051的P1.3脚接AD7705的片选脚；89C2051的 P1.2脚接AD7705的复位引脚，从而保证了AD7705的可靠复位；另外AD7705主时钟采用外接晶振的方式，晶振频率为2MHz，可以在软件中对相应的寄存器进行设置，使其实际工作频率为外接晶振频率的二分频，即为1MHz；参考电压负端接地，正端接LM385-2.5的阴极。  


　　
图2 数据采集电路  
　　
数据处理系统硬件设计  
　　
数据处理部分是系统的重要组成部分，这一部分的主要作用是接收采集传输回来的数据，并根据适当的算法进行运算，最后将运算结果通过D/A转换器以控制激光器的输出光功率输出。D/A转换器采用了MAXIM公司的MAX542。系统原理框图如图3所示。  


　　
图3 数据处理系统原理简图  
　　
MAX542是16位串行输入、电压输出数模转换器。其输出非缓冲，因而只有0.3mA低供电电流和1LSB的低漂移误差；输出电压范围为0V到VREF(参考电压)，可以接成单极性或双极性输出方式，具有更广泛的应用范围。  
　　
在数据处理板中，单片机功能为：驱动光收发合一模块接收采集板传回的数据；与计算机进行通信，以便在控制过程中改变相应PID运算参数的设定；控制D/A转换器将PID运算结果输出以控制激光器的输出光功率，达到稳压控制的目的。此处单片机选用了AT89C52。  
　　
单片机与MAX542的连接如图4所示。用单片机的P2.5脚与MAX542的LDAC引脚相连，这样通过控制单片机的相应管脚即可以准确刷新D/A转换输出锁存器；单片机的P2.7脚与MAX542的片选端CS相连，这样在系统要进行D/A转换时选通相应管脚即可，可以相应地降低系统功耗，也有利于减少误操作；参考电压仍由精密稳压管LM385-2.5提供2.5V的基准电压；在其输出端接电压跟随器，这样可以把模拟部分与数字部分进行隔离，减小系统干扰，同时增加系统的带负载能力。在系统中采用普通管脚来控制MAX542的工作，通过编程就能实现MAX542的工作时序，还可用单片机的串口与MAX542的相应管脚相连，就可以采用串口工作方式0来控制MAX542的转换。在本系统中，单片机的串口用来与计算机进行通信，这样就可以在不同的条件下对系统设定不同的参数来达到稳压控制的目的。在要求比较高的条件下，可以通过计算机来记录光电转换电源的工作情况。  


　　
图4 D/A转换电路  

数据采集系统中的抗干扰措施   
  
滤波方法是抑制干扰、保证测量精度的有效途径。在工业现场中，可利用硬件滤波器电路或软件滤波器算法提高测试数据的准确性。硬件滤波措施是使用较多的一种方法，但是会增加设备，又可能带来新的干扰源。而软件滤波算法不需增加硬件设备，可靠性高、功能多样、使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点。在数据采集部分选用的A/D 转换器件为AD7705，它内置了数字滤波器。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端，片内数字滤波器处理调制器的输出信号，通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新率，从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。   
  
AD7705内嵌了数字低通滤波器，可在A/D转换之后进行数字滤波，能消除A/D转换过程中产的噪声。此外，数字滤波器具有可编程性。依靠数字滤波器设计，用户可以编程截断频率和输出更新频率。此外，因为内部带有数字滤波器，AD7705具有抑制干扰功能。50Hz的工频干扰在第一陷波位置已衰减100dB，这样就有效地抑制了工频干扰。另外，本系统采集数据时，以10个数据作为一组，再用平均值滤波法对这10个数据进行平均，用此平均值作为该时刻的采样值，这样就有效地去除了数据随机误差。而且，光电转换电源输出端电压的变化是缓慢的，因而以10次采样值的平均值作为该时刻的值进行处理能够满足系统要求，实验证明这种方法是可行的。