摘   要： 本文介紹了利用TMS320C542芯片進行500KVOMU (Optical Metering Unit) 中數字信號處理的新方案，并對該方案的定點DSP系統的硬件設計、外圍芯片設計、OMU系統軟件算法作了詳細講述。最后給出了整個OMU系統的整體性能和測試結論。
引 言
隨著電力系統的容量和傳輸的電壓等級進一步增大，傳統的CT(Current Transformer)、PT(Potential Transformer)呈現出易受電磁干擾，體積大，重量重，造價高等自身不可克服的問題。因此為了適應電力系統的發展，迫切需要一種新型的OCT(Optical Current Transducer)、OVT(Optical Voltage Transducer)來代替傳統的CT、PT。其中，OCT利用磁致旋光效應，即法拉第效應，OVT利用Pockels效應和偏光干涉原理構成的系統以獲得強度受外加電場(電壓)調制的光，由此可測出外加電場(電壓)的大小。由OCT和OVT組成的OMU有著傳統PT/CT無法比擬的優點，如：具有抗電磁干擾、絕緣性能好等。這些優點符合未來電站、變電所發展的需要，同時OCT、OVT運行安全可靠，不會爆炸，還可以節約大量的銅和矽鋼片，社會效益明顯。
本文以現有500KV的OMU為例，詳細論述了光學電壓電流傳感器中的新型數字信號處理技術，并將現代數字信號處理器用于該新型傳感器中。

圖1    DSP系統框架

系統硬件設計
基于OMU中OCS和OVS的檢測方法，并結合實際測量中的具體情況，考慮到模擬電路易受環境溫度和外部電磁干擾影響，我們盡可能地減少模擬電路環節，并采用TMS320C542DSP數字信號處理器作為核心處理器，以提高系統精度和穩定性。
當信號經模擬電路處理后，送至DSP， 經DSP處理，數據輸出至PC機進行數據的管理，信號也可以輸出至兩路D/A濾波，得到兩路模擬輸出以供互感器校驗儀校驗。整個DSP系統的方案設計如圖1所示。
由于OMU的最后輸出檢驗需經過互感器校驗儀進行校驗，因此我們在DSP系統中設計了兩路模擬輸出。由于C542具有兩個串口，且兩個串口都可以作為標準串口使用，因此我們利用這兩個串口與串行D/A進行接口，后接濾接器進行平滑濾波，得到最終的模擬輸出以供互感器校驗儀校驗。在此，我們選用14位串行D/A MAX545，D/A后接的濾波器選用UAF42。

圖2  軟件算法框圖

系統輸入信號由11路模擬信號組成，它們分別為電壓和電流傳感器的兩組信號和系統溫度量，所以電壓和電流傳感頭均采用雙光路方案。存貯器選用兩片27C256構成32K、16位ROM，又因為C542片內含有10KB DRAM，而10KB DRAM相對于整個OMU數據處理系統運行所需程序和數據空間已經足夠，故不需外掛高速RAM，這樣直接提高了系統的性能。
但應注意，在DSP硬件系統調試前，應確保給實驗板供電的電源有良好的恒壓、恒流特性。尤其是，DSP的入口電壓應保持在5.0+/-0.05V。電壓過低，則通過JTAG接口向Flash寫入程序時，會出現錯誤提示；電壓過高，則會損壞DSP芯片。另外，由于在調試時要頻繁對實驗板接電和斷電，若電源質量不好，則很可能在突然上電時因電壓陡升而燒壞DSP芯片。這樣既會造成經濟損失，又將影響開發進度。因此，在調試前應高度重視電源的選擇，同時在調試過程中應經常檢查電源是否正常。此外，DSP、片外程序存儲器和數據存儲器接入電源前，應加濾波電容并使其盡量靠近芯片電源引腳，以濾除電源噪聲。同時，可在DSP與片外程序存儲器和數據存儲器等關鍵部分周圍布上電網，以減少外界干擾。

系統軟件設計
系統軟件分為上位機和下位機兩大部分，下位機以DSP為中心，采集信號，經過FIR濾波，進行有效值計算，并將數據送至PC。而上位PC機進行OCT電流和參考電流有效值的比差計算，以及OCT光功率的計算、存儲、顯示。軟件算法框圖如圖2所示。
上位機和下位機之間的通信采用異步串行通信傳輸。傳輸時，發收雙方應按照所共同遵循的協議進行初始化。DSP對UART的初始化，主要為按照協議對8251A內部命令寄存器的初始化，在此我們采用起止式異步通信協議，選定模式為：傳輸速率9600b/s，1位停止位，無校驗，字符長度8位，波特率系數16。
在上位機我們采用了VB6.0軟件平臺設計串行通信程序，而使用Mscomm.VBx用戶控件來進行串行通信的關鍵是正確設置其中的一些屬性。在VB6.0中的通信程序設計中，我們設計了一個數據接收主窗口，在接收窗口中對串口進行初始化和利用定時時鐘對數據進行定時查詢接收。
軟件設計中值得注意的問題
(a) 關于對外設的初始化和對外設的訪問：由于DSP是高速設備，所以選擇外設時應注意外設的選通訪問時間和讀取時間，以及DSP對外設的控制字在外設中的轉化時間。否則會造成DSP對外設不能訪問或外設工作不正常，從而導致系統無法工作或工作不穩定。
(b) 在中斷服務程序中的堆棧和出棧及程序保護：在中斷服務程序或子程序中，由于一般情況下會調用和修改DSP的內部寄存器，如果在程序運行過程中觸發了中斷而執行了中斷服務程序，將會導致修改某些DSP內部寄存器的內容或狀態。在執行完中斷服務程序或子程序后，再回到原來程序中，由于被修改的寄存器內容與進入中斷服務程序前的相應寄存器的內容不一致，將導致程序的錯誤運行。所以應在中斷服務程序和子程序進入時，壓棧將被修改的寄存器及保護相關需保護的內容。而在中斷服務程序和子程序結束前，出棧和恢復相關保護內容，以使主程序正常執行。
(c) 流水線沖突及相關解決辦法：由于C54XDSP使用六級流水線和增強型哈佛結構，在DSP中使用一條program read bus(PB)，兩條data_read buses(CB, DB)和一條data_write bus(EB)，以及4條address buses (PAB, CAB, DAB, EAB)以增強內部并行操作，當內部兩條指令同時訪問同一條數據線或地址線時，將會造成流水線沖突，這時有效的解決辦法是將這兩條相鄰指令間加入NOP語句以避免流水線沖突，這種解決方法當程序無邏輯錯誤而又運行不正常時是行之有效的。

結語
本課題對該OMU進行了整機測試，對于每一套測量系統來講，線性度是整個系統性能的重要指標，而對于OMU實質上就是利用電偏置法等建立電場與光場之間的線性關系。經試驗驗證，該光電互感器具有很好的線性度。由于DSP高速處理器的采用，使得整個數據處理系統的電路環節尤其是模擬電路環節大大簡化和系統集成度大大提高，從而使得整個系統的溫漂減少。系統集成度提高的直接結果是將每相電壓、電流由原來分開測量發展到三相電壓電流集成到一個DSP信號處理系統中進行測量處理，從而提高了系統的性能價格比，并且使得系統的升級和更新換代變得更為靈活和方便。