光纖光譜儀的工作原理

光纖光譜儀的工作原理主要涉及光信號的輸入、色散、探測和數(shù)據(jù)處理等關鍵步驟。它利用光纖將遠離儀器的樣品光譜源或光源引到儀器中，增加了采樣方式的靈活性。光信號通過入射狹縫后，投射到準直物鏡上，將發(fā)散的光轉變?yōu)闇势叫泄馐ｋS后，準直后的光束打到色散元件(如光柵)上，不同波長的光被分散開，形成光譜。分散后的光由成像反射鏡收集并聚焦，使光譜成像在探測器的接收面上，通常是CCD或光電二極管陣列探測器。探測器將光譜譜面上的每一個微小譜帶轉換成電子信號，這些信號經(jīng)過處理后在終端顯示輸出，完成光譜信號的測量分析。

光源：選擇合適的光源對于提高光譜儀的靈敏度和性能至關重要。根據(jù)實驗需求選擇合適的光源，如氘燈、氙燈等，并優(yōu)化光源的位置和角度，以確保光線能夠垂直入射到樣品表面。

光纖：光纖作為導光元件，其選擇應考慮傳輸效率、光譜范圍和耐用性等因素。高質(zhì)量的光纖能夠減少光信號在傳輸過程中的損失，提高光譜儀的性能。

入射狹縫：狹縫的寬度會影響光譜的分辨率和靈敏度。較窄的狹縫可以提高分辨率，但可能會降低靈敏度;較寬的狹縫則相反。因此，需要根據(jù)具體需求選擇合適的狹縫寬度。

準直物鏡：準直物鏡的作用是將發(fā)散的光轉變?yōu)闇势叫泄馐?，以便后續(xù)處理。其設計應確保光束的平行度和準直度，以減少像差和光損失。

色散元件：色散元件(如光柵)是光譜儀中的核心部件，負責將不同波長的光分散開。其選擇應考慮色散效率、分辨率和光譜范圍等因素。高性能的光柵可以提高光譜儀的分光效率和分辨率。

成像反射鏡：成像反射鏡用于收集并聚焦分散后的光，使光譜成像在探測器的接收面上。其設計應確保光譜的成像質(zhì)量和穩(wěn)定性。

探測器：探測器是光譜儀中接收光信號并將其轉換為電信號的重要部分。選擇合適的探測器(如CCD、PMT等)，并根據(jù)其性能要求安裝在合適的位置，可以提高光譜儀的靈敏度和響應速度。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負責將探測器輸出的電信號進行放大、模數(shù)轉換和處理，最終生成光譜圖像和數(shù)據(jù)。其設計應確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

隨著電力網(wǎng)絡的擴大復雜化和區(qū)域互聯(lián)趨勢的到來，電力系統(tǒng)的行為也將越來越復雜。一些原有的假設條件和簡化模型的適用性都將接受進一步的挑戰(zhàn)與檢驗。

IEC61850標準的制定及其內(nèi)容已超變電站自動化系統(tǒng)的范圍，擴展到其他工業(yè)控制領域，成為基于通用網(wǎng)絡通信平臺的工業(yè)控制的國際標準。國內(nèi)外很多電力設備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實現(xiàn)“一個世界、一種技術、一個標準”。

1 系統(tǒng)構成及要求

結合一些與該設計方案關于示波器儀表類似的優(yōu)秀文章，并取其精華作為設計參考。該光纖信號分析儀主要由三部分組成，包括：接口部分、A/D采集控制部分和顯示控制部分，如圖1所示。其中每個模塊都實現(xiàn)各自的功能，具有良好的可移植性。

為了達到系統(tǒng)設計的要求，信號分析儀還需具有以下功能：

(1)光電轉換模塊將來自不同光接口的光纖信號轉換為與光強成正比的電信號，完成1EC61850規(guī)定的9-1，9-2，GOOSE格式光信號的接入和轉發(fā)、IEC60044-7/8規(guī)定的FT3格式光信號的接入和轉發(fā)以及專用采集器光纖信號的接入，而且信號轉換誤差和測量范圍滿足一定精度要求。其光信號頻率范圍為125MBit/s，光電、電光轉換誤差精度為2%左右為宜。

(2)A/D采集控制部分實現(xiàn)滿足一定精度要求、具有足夠采樣速率的電信號瞬時值采集、儲存、顯示、分析。波形分析則主要圍繞波形質(zhì)量和信號特征進行，可能包括“1”狀態(tài)光電平數(shù)值，光信號的上升時間、下降時間，光信號的過沖，光信號的穩(wěn)定時間，光信號頻率等內(nèi)容。由于需要與光纖信號的速度配套，其采樣帶寬與光信號的帶寬需配合良好;如可能的情況下，采樣速率應大于光信號速率的50倍，也可根據(jù)實際情況確定;而在A/D轉換精度方面優(yōu)先采用10位的 A/D，有困難時考慮8位A/D。

(3)顯示控制部分主要實現(xiàn)IEC 61850規(guī)約對GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求對其進行信息解碼、信息組儲存、信息組識別、報文信息顯示功能等;IEC60044-7/8對FT3格式(曼徹斯特碼)的要求對其進行信息解碼、信息組識別、信息組儲存、信息顯示功能。實現(xiàn)滿足IEC 61850規(guī)約的MMS報文信息解碼、信息組儲存、信息組識別、報文信息顯示等功能。規(guī)約分析單元實現(xiàn)對上述報文的解析、注釋、信息計算等功能;還需具有一定容量的波形存儲能力和一定容量的報文信息儲存能力。最終通過液晶屏幕顯示出來，并提供一個人性化、可視效果好、可操作性好的人機交互界面。

另外，儀器接入測量信號時不會影響系統(tǒng)的正常工作，具有在線監(jiān)測功能，光纖信號分析儀接線示意圖如圖2所示。

除了滿足上述要求外，該分析儀還具有很好的信息存儲能力及后臺分析能力。能實時保存報文信息，保存的幀信息中包含全部的幀信息，包括報文頭、添加字節(jié)、CRC校驗碼等數(shù)字信息，以便進行后續(xù)分析。

2 硬件設計方案

2.1 接口部分設計方案

接口控制部分主要完成光纖信號接收、轉發(fā)，主要完成的功能如光纖信號接收、放大;對兩路需要采集信號進行放大、選擇。這部分的關鍵技術在于光電/電光模塊的選擇，光接口波長全為1310 nm、多模、ST接口，主要采用HFBR-5905多模光纖收發(fā)器，同樣，光纖分路器也為1 310 nm、多模、ST接口，采用型號為DS25BR204的2分4信號分路器。

如圖3的接口板原理框圖所示，光信號經(jīng)光電轉換后一分為二，一份提供給信號分析儀作為采集、存儲分析使用，另外一份直接作為輸出，提供給被測信號或試驗信號發(fā)生器。

2.2 A/D采集控制板設計方案

A/D采集控制板是該系統(tǒng)的核心部件。由于考慮到光信號頻率較高，一般的A/D轉換器根本不能滿足本系統(tǒng)設計的要求，要達到該光信號分析儀中要求的采樣率大于光信號的25倍甚至50倍的要求，需采用高速A/D采集光信號。A/D采集控制板作為系統(tǒng)的核心部件之一，主要完成的功能有：光模擬信號的7級可變增益放大;光信號3 GHz的采集;信號的實時緩存，緩存深度達到50 K×8 b;信號的非實時存儲;信號的上升沿檢測(觸發(fā));信號的抽取;arm接口板控制接口實現(xiàn)等。采集控制板的原理框圖如圖4所示。采集控制板主要分成采集前端、控制存儲和電源管理3個部分。

采集前端主要完成模擬信號的調(diào)理，信號的采集等功能。由ADC，可變增益低噪聲放大器和時鐘構成，其關鍵芯片A/D轉換芯片采用的是ADC08D1500。

控制存儲部分主要包括控制和存儲兩個部分。控制部分主要由FPGA來完成，主要功能包括：DDR數(shù)據(jù)的接收、時鐘管理、脈沖檢測、FLA-SH接口和 ARM控制接口等功能。存儲部分由FPGA和NANDFLASH兩部分完成，其中FPGA提供RAM存儲，NAND FLASH提供ROM存儲，其關鍵芯片F(xiàn)PGA選定為XC5VLX30-1FFG676C。該FPGA總共包含300萬門，內(nèi)置RAM為1 152 Kb，可用管腳為400個，最大支持200對LVDS，有32個專用乘法器資源。由于緩存深度要求為400 Kb，所以FPGA滿足緩存深度的要求。FPGA和AD前端的管腳消耗小于100位，和FLASH的管腳消耗小于60位，和arm部分連接資源消耗小于 100位，所以管腳資源肯定滿足要求。至于邏輯門數(shù)和乘法器的消耗也充分滿足系統(tǒng)要求。

電源管理主要為了生成板內(nèi)所需要的各種電壓，根據(jù)主機板的需要，電源模塊能夠將電池提供的電壓轉換為多路電壓提供給主機板，而當接電源適配器時，不僅能對電池進行充電，還可以同時向主機板供電，其中的關鍵芯片DC/DC使用TPS54331實現(xiàn)5V直流轉換為所需要的1.0 V，1.8 V，2.5 V等直流電壓，其結構如圖5所示。

另外，為了節(jié)省電池電量以及設備的安全運行，可通過軟件控制，當設備長時間沒有操作使用時，能實現(xiàn)系統(tǒng)自動關機。

2.3 顯示控制部分設計方案

該部分完成整個系統(tǒng)的人機界面、數(shù)據(jù)顯示、協(xié)議解析等功能，基本思路是在設定的工作模式下控制其他模塊進行放大、選擇、高速采集并存儲，完成波形顯示、處理等任務。還可以根據(jù)需要選擇被測信號的格式類型以及測試通道的切換。顯示板卡完成功能及連接關系如圖6所示。

2.3.1 存儲器接口

該部分由三部分構成，即雙口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的數(shù)據(jù)來源于ADC采集板實時存放顯示控制板需要的數(shù)據(jù);NOR FLASH存放需要備份的數(shù)據(jù)，如檢測到重要的數(shù)據(jù)信息等;FRAM是整個系統(tǒng)的BIOS，提供系統(tǒng)工作初始狀態(tài)等信息。

2.3.2 IEC61850規(guī)約

arm對來自接口板的經(jīng)光電轉換及采集板高速A/D轉換的9-1，9-2及GOOSE報文信號進行解析、注釋、報文存儲等操作。

2.3.3 人機界面

該部分包含人機交互界面控制、波形顯示等功能，實現(xiàn)用液晶顯示屏完成來自采集板的數(shù)據(jù)顯示，并通過鍵盤操作完成部分等同于數(shù)字存儲示波器的功能。如波形平移、放大、縮小以及測試通道的切換等操作。使操作者能更直接地觀察到變電站實時工作狀態(tài)信息。

本文從硬件方面介紹了一臺基于arm和FPGA用于完成數(shù)字化變電站實時信號的獲取、解碼、分析、顯示等功能的光纖信號分析儀的研究與設計。能快速直接的掌握變電站的工作狀態(tài)，設備的運行情況及報警、報修等有用信息。為了操作攜帶更為方便，以后將考慮將設備向小型化、手持式方向發(fā)展，這就需要設備在功耗、節(jié)能方面的表現(xiàn)更加優(yōu)越。

光纖信號分析儀設計?是指設計一種能夠分析和處理光纖中傳輸?shù)男盘柕脑O備。這種設備通常用于變電站系統(tǒng)的實時監(jiān)控和測試，以確保變電站設備的穩(wěn)定運行。光纖信號分析儀的設計主要包括硬件平臺設計和軟件開發(fā)環(huán)境搭建，具體步驟如下：

?硬件平臺設計?：根據(jù)需求設計光纖信號分析儀的硬件系統(tǒng)，包括光信號轉換模塊、網(wǎng)絡收發(fā)模塊、報文解碼模塊以及各種外設接口。這些模塊共同工作，實現(xiàn)對光纖中傳輸?shù)男盘栠M行捕獲、解析和顯示?1。

?軟件開發(fā)環(huán)境搭建?：搭建嵌入式系統(tǒng)上位機和下位機的軟件開發(fā)環(huán)境，包括交叉編譯環(huán)境和硬件芯片及外設接口的驅動程序設計。這些軟件組件確保系統(tǒng)能夠高效地處理和分析光纖傳輸?shù)男盘?1。

?報文解碼和處理?：對IEC61850規(guī)約中定義的各種格式報文(如GOOSE、FT3、9-2等)進行解碼、解析和處理，獲取幀格式中的有效數(shù)據(jù)信息。這一步驟是光纖信號分析儀的核心功能之一，確保系統(tǒng)能夠準確解析和顯示傳輸?shù)膱笪?1。

?波形顯示和人機交互界面設計?：設計波形顯示控制單元和良好的人機交互界面(GUI)，實現(xiàn)波形上下平移、左右平移、放大和縮小等功能。這些設計使得用戶可以直觀地監(jiān)控和分析光纖傳輸?shù)男盘?1。

光纖信號分析儀的設計和應用在變電站自動化技術中具有重要意義。通過實時監(jiān)控和測試變電站系統(tǒng)，可以更快捷地掌握設備的工作狀態(tài)，提高電網(wǎng)建設的現(xiàn)代化水平和輸配電的可靠性?1。