光纖光譜儀的工作原理主要涉及光信號(hào)的輸入、色散、探測(cè)和數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵步驟。它利用光纖將遠(yuǎn)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(hào)通過(guò)入射狹縫后，投射到準(zhǔn)直物鏡上，將發(fā)散的光轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)平行光束。隨后，準(zhǔn)直后的光束打到色散元件(如光柵)上，不同波長(zhǎng)的光被分散開(kāi)，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(cè)器的接收面上，通常是CCD或光電二極管陣列探測(cè)器。探測(cè)器將光譜譜面上的每一個(gè)微小譜帶轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后在終端顯示輸出，完成光譜信號(hào)的測(cè)量分析。

光源：選擇合適的光源對(duì)于提高光譜儀的靈敏度和性能至關(guān)重要。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)光元件，其選擇應(yīng)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(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，提高光譜儀的性能。

入射狹縫：狹縫的寬度會(huì)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(huì)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(zhǔn)直物鏡：準(zhǔn)直物鏡的作用是將發(fā)散的光轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)平行光束，以便后續(xù)處理。其設(shè)計(jì)應(yīng)確保光束的平行度和準(zhǔn)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(fù)責(zé)將不同波長(zhǎng)的光分散開(kāi)。其選擇應(yīng)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(cè)器的接收面上。其設(shè)計(jì)應(yīng)確保光譜的成像質(zhì)量和穩(wěn)定性。

探測(cè)器：探測(cè)器是光譜儀中接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的重要部分。選擇合適的探測(cè)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(yīng)速度。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理，最終生成光譜圖像和數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)應(yīng)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大復(fù)雜化和區(qū)域互聯(lián)趨勢(shì)的到來(lái)，電力系統(tǒng)的行為也將越來(lái)越復(fù)雜。一些原有的假設(shè)條件和簡(jiǎn)化模型的適用性都將接受進(jìn)一步的挑戰(zhàn)與檢驗(yàn)。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的范圍，擴(kuò)展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域，成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的工業(yè)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外很多電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開(kāi)展研究和應(yīng)用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及要求

結(jié)合一些與該設(shè)計(jì)方案關(guān)于示波器儀表類(lèi)似的優(yōu)秀文章，并取其精華作為設(shè)計(jì)參考。該光纖信號(hào)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(gè)模塊都實(shí)現(xiàn)各自的功能，具有良好的可移植性。

為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，信號(hào)分析儀還需具有以下功能：

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

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

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

另外，儀器接入測(cè)量信號(hào)時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，具有在線監(jiān)測(cè)功能，光纖信號(hào)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(chǔ)能力及后臺(tái)分析能力。能實(shí)時(shí)保存報(bào)文信息，保存的幀信息中包含全部的幀信息，包括報(bào)文頭、添加字節(jié)、CRC校驗(yàn)碼等數(shù)字信息，以便進(jìn)行后續(xù)分析。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 接口部分設(shè)計(jì)方案

接口控制部分主要完成光纖信號(hào)接收、轉(zhuǎn)發(fā)，主要完成的功能如光纖信號(hào)接收、放大;對(duì)兩路需要采集信號(hào)進(jìn)行放大、選擇。這部分的關(guān)鍵技術(shù)在于光電/電光模塊的選擇，光接口波長(zhǎng)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(hào)為DS25BR204的2分4信號(hào)分路器。

如圖3的接口板原理框圖所示，光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后一分為二，一份提供給信號(hào)分析儀作為采集、存儲(chǔ)分析使用，另外一份直接作為輸出，提供給被測(cè)信號(hào)或試驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器。

2.2 A/D采集控制板設(shè)計(jì)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(hào)頻率較高，一般的A/D轉(zhuǎn)換器根本不能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，要達(dá)到該光信號(hào)分析儀中要求的采樣率大于光信號(hào)的25倍甚至50倍的要求，需采用高速A/D采集光信號(hào)。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(hào)的7級(jí)可變?cè)鲆娣糯?光信號(hào)3 GHz的采集;信號(hào)的實(shí)時(shí)緩存，緩存深度達(dá)到50 K×8 b;信號(hào)的非實(shí)時(shí)存儲(chǔ);信號(hào)的上升沿檢測(cè)(觸發(fā));信號(hào)的抽取;arm接口板控制接口實(shí)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(chǔ)和電源管理3個(gè)部分。

采集前端主要完成模擬信號(hào)的調(diào)理，信號(hào)的采集等功能。由ADC，可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃骱蜁r(shí)鐘構(gòu)成，其關(guān)鍵芯片A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是ADC08D1500。

控制存儲(chǔ)部分主要包括控制和存儲(chǔ)兩個(gè)部分?？刂撇糠种饕蒄PGA來(lái)完成，主要功能包括：DDR數(shù)據(jù)的接收、時(shí)鐘管理、脈沖檢測(cè)、FLA-SH接口和 ARM控制接口等功能。存儲(chǔ)部分由FPGA和NANDFLASH兩部分完成，其中FPGA提供RAM存儲(chǔ)，NAND FLASH提供ROM存儲(chǔ)，其關(guān)鍵芯片F(xiàn)PGA選定為XC5VLX30-1FFG676C。該FPGA總共包含300萬(wàn)門(mén)，內(nèi)置RAM為1 152 Kb，可用管腳為400個(gè)，最大支持200對(duì)LVDS，有32個(gè)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(mén)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(jī)板的需要，電源模塊能夠?qū)㈦姵靥峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換為多路電壓提供給主機(jī)板，而當(dāng)接電源適配器時(shí)，不僅能對(duì)電池進(jìn)行充電，還可以同時(shí)向主機(jī)板供電，其中的關(guān)鍵芯片DC/DC使用TPS54331實(shí)現(xiàn)5V直流轉(zhuǎn)換為所需要的1.0 V，1.8 V，2.5 V等直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

另外，為了節(jié)省電池電量以及設(shè)備的安全運(yùn)行，可通過(guò)軟件控制，當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作使用時(shí)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。

2.3 顯示控制部分設(shè)計(jì)方案

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

2.3.1 存儲(chǔ)器接口

該部分由三部分構(gòu)成，即雙口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的數(shù)據(jù)來(lái)源于ADC采集板實(shí)時(shí)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(cè)到重要的數(shù)據(jù)信息等;FRAM是整個(gè)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(duì)來(lái)自接口板的經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及采集板高速A/D轉(zhuǎn)換的9-1，9-2及GOOSE報(bào)文信號(hào)進(jìn)行解析、注釋、報(bào)文存儲(chǔ)等操作。

2.3.3 人機(jī)界面

該部分包含人機(jī)交互界面控制、波形顯示等功能，實(shí)現(xiàn)用液晶顯示屏完成來(lái)自采集板的數(shù)據(jù)顯示，并通過(guò)鍵盤(pán)操作完成部分等同于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能。如波形平移、放大、縮小以及測(cè)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(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息。

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

光纖信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)?是指設(shè)計(jì)一種能夠分析和處理光纖中傳輸?shù)男盘?hào)的設(shè)備。這種設(shè)備通常用于變電站系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)試，以確保變電站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。光纖信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)主要包括硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建，具體步驟如下：

?硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)?：根據(jù)需求設(shè)計(jì)光纖信號(hào)分析儀的硬件系統(tǒng)，包括光信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊、報(bào)文解碼模塊以及各種外設(shè)接口。這些模塊共同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖中傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行捕獲、解析和顯示?1。

?軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建?：搭建嵌入式系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括交叉編譯環(huán)境和硬件芯片及外設(shè)接口的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。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?hào)?1。

?報(bào)文解碼和處理?：對(duì)IEC61850規(guī)約中定義的各種格式報(bào)文(如GOOSE、FT3、9-2等)進(jìn)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(hào)分析儀的核心功能之一，確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確解析和顯示傳輸?shù)膱?bào)文?1。

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

光纖信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在變電站自動(dòng)化技術(shù)中具有重要意義。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)試變電站系統(tǒng)，可以更快捷地掌握設(shè)備的工作狀態(tài)，提高電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平和輸配電的可靠性?1。