（精密仪器及机械专业论文）基于ARM9的便携式FBG解调仪设计.pdf

东南大学硕l 学位论文 基于a t o m 9 的便携式f b g 解调仪设计 摘要 f b g 传感技术是近年来光纤传感领域研究的热点，对波长编码信号的解调是实现分 布式传感网络的关键。光纤传感技术有着传统测量手段无可比拟的优势，在各种领域有 着广泛的应用前景。 便携式f b g 解调仪是采用嵌入式微处理器和高性能数据采集、处理等硬件和软件 而组成的测量仪器。它具有体积小、重量轻、成本低廉、可靠性高、功能强大等特点。 它更加方便客户的使用，降低操作者的劳动强度，因此具有更高的市场价值和使用价值。 本文分析讨论了光纤布拉格光栅测量温度和应变的理论原理和分布式光栅波长的 解调方法，并组建了嵌入式系统的硬件平台和软件丌发平台。本文系统地阐述了基于 a r m 9 的f b g 解调仪设计的总体架构，详细地描述了软硬件开发的整个流程。硬件开 发中重点部分为对弱信号的采集和处理，以及高性能的信号扫描电路的设计；软件开发 实现系统相关驱动程序的编写、各种工作参数的配置、数字滤波器的设计、系统在线标 定、测量数据转化为结点实际待测物理量以及历史数据的保存和查询等功能。论文在实 验的基础上，对该解调仪的功能做了检验。 关键词：f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，嵌入式系统，a r m ，w i n d o w sc e 东南人学硕j ：学位论文 d e s i g no fp o r t a b l ef b gd e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n t b a s e do na r 、m 9 a b s t r a c t p b gs e n s o rt e c h n i ci so n eo ft h eh o t s p o ti nf i b e rs e n s o rr e s e a r c hf i e l d ，a n dd e m o d u l a t i o n 0 ft h ew a v e l e n g t h c o d i n gs i g n a li st h ek e yp r o b l e mt or e a l i z et h ed i s t r i b u t e ds e n s o rn e t t h i s t e c h n i ch a su n e x a m p l e dp r e d o m i n a n c ec o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm e a s u r em e t h o d s ，t h e r e f o r e i t h a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nk i n d so ff i e l d s p o r t a b l ef b gd e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n ti sa s s e m b l e db yh a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s i n g e m b e d d e dp r o c e s s o ra n dh i g h p o w e r e dd a t a a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ge q u i p m e n t t h i s i n s t r u m e n th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha s ：s m a l l ，p o r t a b l e ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds u p e r f u n c t i o n ，e t c ，i t sv a l u a b l ei nt h em a r k e t ，b e c a u s ei t sc o n v e n i e n tf o rc l i e n tt ou s e a n di th e l p s t h eo p e r a t o rt or e d u c ew o r k i n g i n t e n s i t y i nt h i sp a p e r t h em e a s u r et h e o r ya b o u tt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nw i t hf i b e rb r a g gg r a t i n g a r ea n a l y s e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h em e t h o dh o wt ob u i l d i n ge m b e d d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mi si n t r o d u c e d a sw e l la st h es e q u e n c eo fd e v e l o p i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，t h ed e s i g no ff b gd e m o d u l a t i o ni n s t r u m e n tf r a m eb a s e do na r m 9a t ep e r f e c t l y d e s c r i b e d t od e s i g nt h eh a r d w a r e ，i t p a y sa t t e n t i o n t ot h ew e a ks i g n a l a c q u i s i t i o n ，d a t a p r o c e s s i n ga l o n gw i t hs c a ns i g n a lc i r c u i td e s i g n t h es o f t w a r er e a l i z e ss y s t e mr e l a t e d d r i v e r s ，s y s t e mp a r a m e t e r sc o n f i g ，d a t af i l t e rd e s i g n ，s y s t e mo n l i n ec a l i b r a t i n g ，t r a n s l a t i n gt h e a c q u i s i t i o nd a t at op h y s i c a lm e a s u r e m e n t ，d a t as a v i n ga n dq u e r y , e t c 。b a s e do ne x p e r i m e n t ， s y s t e mf u n c t i o ni sc h e c k e da n dt e s t i f i e d k e y w o r d s ：f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，w i n d o w sc e u 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：2 竺! ：望：1 7 第章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 目前，采刚传统方法( 如温度、应力测试探头) 对各种大型结构的ji ：稃监测的弊端是：( 1 ) 劳动强度 较人；( 2 ) 信息管理的自动化程度低，抗干扰能力差，存在温漂和零漂，可靠性差；( 3 ) 耐久性差，采集 数据的准确性比较若，精度比较低。 与传统的传感器件相比，光纤b r a g g 光栅是一种新犁的无源光子器件，可制成各种传感器件，在传感 领域得剑广泛的应用。光纤光栅传感器具有自己独特的优点：( 1 ) 传感头结构简单、体积小、重量轻、 外形可变，适合埋入人刑结构中，可测鼙结构内部的麻力、_ ；! 变及结构损伤等，稳定性、重复性好；( 2 ) 与光纤之间存在天然的兼容i 生，易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高；( 3 ) 具有1 卜传导性，对 被检测介质影响小，义具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合住恶劣环境中l ：作；( 4 ) 轻巧柔软，可以在 一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复川和时分复川系统相结合，实现分布式传感，便r 数 据的采集与管理；( 5 ) 测量信息是波k 编码的，所以，光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及 耦合损耗、以及光波偏振态的变化等冈素的影响，有较强的抗干扰能力：( 6 ) 高灵敏度、高分辨力。止是 由丁具有这么多的优点，近年来，光纤光栅传感器在人型十小j l ：程结构、航空航大等领域的健康监测，以 及能源化l ：等领域得剑了广泛的应用。 由于f b g 传感系统及设备主要依赖进口，国内对f b g 的许多关键技术仍处丁探索研究阶段，因此， 从技术上研究f b g 传感系统的实现、从，i ：程上探索f b 6 传感系统的应h j 对推动1 ：科检测技术的发展具 有重要意义。 便携式嵌入式系统冈其功耗低、体积小、专川性强、携带方便、成本低廉等特点而成为现代智 能产鼎发展的主流。冈此，世界范同内嵌入式系统产品的市场展现着勃勃生机，其年产值已超过了 万亿美元。目前市场上有多种妖入式处理器，如a r m ，p o w e rp c ，d s p ，c o l d f i r e 等。其中a r m 系列 处理器以处理速度快、超低功耗、应刚前景j 泛和价格低廉筲优势一i 据了人部分的市场份额。国内 有许多院校，科研院所和公司厂家在开发基丁a r m 的嵌入式处理系统。更为重要的是返 r y - a r m 嵌 入式处理系统上的操作系统和相关软什也十分丰富和强人。本系统也采h ja r m 嵌入式处理器。 1 2 国内外研究动向 作为一种新型的光子器什光纤光栅的研制麻川近年来受到普遍关注。目前，已报道的光纤光 栅传感器可以检测的物理馕有：温度、应变、乐力、位移、压强、抓角、手h 矩( 手h 麻力) 、加速度、 电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等。其中，一部分光纤光栅传感系统已经实际 应朋。通常，温度、廊变和压力是卣接影响光纤光栅波k 独立变化的物理鼙，但裸光栅x 寸温度、应 变和压力响戍的灵敏度都很低光纤光栅传感器要想在实际中得剑j 泛廊川，必须对其增敏。另外， 光纤光栅传感器存在麻变和i 温度交义敏感的问题，克服这一问题，实现多参数同时测量是光纤光栅 传感器走向戍川必须解决的问题。国内外学者提出了一些方法，如目前常使川的两类方法：一是温 度补偿f b g 方法，二是其他对温度与廊变敏感的传感器与f b g 的组合测量方法。 美国是研究光纤传感器起；劈最早、水平最高的国家，在军事和氏川领域的方面，其进展都十分 迅速。在航，宅航大业中，光纤光栅传感器有着重要的席h j ，仅波音公司就注册了多项比纤光栅传 感器的技术专利。在刚先进复合材料米制造的航空航大器中很容易堋入光纤光栅传感器，实现匕行 器运行过程的性能监视。关【日i l ：i 家航空祠l 宁市航行局任航大i i 机x - 3 3 上安装r 洲鼙应变祠l 温度的光 纤光栅传感嘲络，他们还研究化常温和低温条件。卜复合材料高压容器的光纤光栅和十涉f 感器。兰 利研究中心和汉酱顿人学合作j f 发川丁i 空气动力学装茸的光纤光栅剪切府力监测器。加拿人的一个 光子研究小组提出川光纤光栅传感器测鼙匕机喷气涡轮发动机系统的压力利温度。在十爪i ：稃中， 如美国新墨曲哥l a sc r u c e s l 0 _ 州际高速公路的钢结构桥梁上，安装了多达1 2 0 个光纤光栅传感器。 在法国、德国、英国和瑞典等恢洲国家也住积极进行光纤光栅传感技术的研究。 东南大学硕一i ：学位论文 目前，对光纤光栅传感器研究方向主要在：( 1 ) 高灵敏度、高分辨率传感器研究；( 2 ) 光纤光 栅反射和透射信号分析和测试系统的研究，目标是开发小型化、低成本、可靠灵敏的探测技术；( 3 ) 实刚技术研究，包括封装技术、温度补偿技术和传感网络技术。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远，目前，已有 上百个单位在这一领域开展丁= 作，如清华人学、华中理j 】：大学、武汉理l ：大学、重庆大学等。他们 在光纤各种领域进行了大量的研究，取得了上百项科技成果，其中有相当数量的研究成果具有很高 的实_ h j 价值，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的著距，主要 表现在新型光纤传感技术的府川和商品化、产业化方面，人多数品种仍处于实验室研制阶段，不能 投入批昔生产和i ：程化应用。由大津人学于云新、刘铁根等人设计的便携式f b g 光栅波长解调仪憎1 基 于无源比例解调原理，以熔融拉锥器件作为线性滤波器，采用锁相放人技术提取微弱信号，并利心单 片机控制光纤布拉格光栅波长信息的采集、显示以及存储。解调范同达1 51 3 1 1 1 ，波长测量精度为1 2 4 p m 。武汉理：大学的陆竞晓，姜德生，高雪清等人应用嵌入式技术设计的光纤光栅解凋系统采朋 s 3 c 4 4 b o x 处理器和uc o s i i 操作系统，并且其借助闪存米存储数据，其缺点是离实川化还有一定 的距离h 1 。 1 3 论文的主要内容 本论文阐述了本课题的研究背景和意义和国内外发展现状。讲述了光纤布拉格光栅的解调系统， 包括光纤光栅的原理、解凋方法以及准分布式f b g 传感网络的解调技术，构建了测鼙的光路结构， 并描述了系统设计的总体框架。在此基础上，完成硬什控制系统的设计，介纠了几种嵌入式处理器， 重点介绍了a r m 9 嵌入式处理器。论文重点描述了硬件设计中的器件的选型、扫描信号产生、数据 采集及信号调理部分内容。在系统软件设计部分，详细介绍了w i n d o w sc e 嵌入式操作系统及其定 制和移植，流接口驱动稗序开发，客户席用程序开发和数据库的设计。最后对解调仪进行实验测试， 对各个模块的功能调试和整个系统的测试。 2 第二章光纤布拉格光栅解调系统 第二章光纤布拉格光栅解调系统 光纤传感器与传统的传感器最人的区别在于：传统的传感器以电的变化为基础，通过有线或者 无线的方式对电信号进行传输：而光纤传感器是以光作为被测信号变化鼙的载体，利州光纤进行信 号传输。由于光的特殊性，光纤传感器具有许多独特的优点：不受电磁场的干扰；绝缘性能好，安 全性高，能在易燃、易爆的环境卜可靠运行：体积小、重量轻，具有极高的灵敏度和分辨率。 2 1 光纤布拉格光栅传感原理 1 9 7 8 年，叭1 1 等人首先发现在掺锗光纤中的光致光栅现象并且制作出世界上第一根光纤布拉格 光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称f b g ) | 1 1 。1 9 8 9 年，m e l t z 等人实现了f b g 的u v 光( 紫外光) 侧 面写入技术，之后各种新的制作方法和新硝光栅相继诞生。f b g 是短周期光栅，也可称为光纤反射 光栅，当入射光源中含有与光栅周期相同或十分接近的波长时，此波段光波将被光栅反射同去，反 射光的中心波长称为布拉格波k 或者特征波长。其特征波长会随外界温度或应变的影响而变化，这 就是光纤光栅传感器的基本：作原理。除了一般光纤传感器具有的优点之外，光纤光栅传感器还具 有一些明显优丁其它类型光纤传感器的特点： ( 1 ) 测苗信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和探测器老化等影响； ( 2 ) 避免厂一股干涉型传感器中相位测鼙的不清晰和对州有参考点的需要； ( 3 ) 能方便的利用波分复川技术在一根光纤中串接多个光栅进行分布式测量。 光纤的光敏性是指光纤的折射率在紫外光的照射卜，随着光强发生变化的特性。光纤的这种折 射率变化具有稳定性，可以保持永久性不变。光纤布拉格光栅是利用彳i 英光纤的紫外光敏性，通过 某些l ：艺方法( 通常是向g e 磁芯光纤照射2 4 0 n m 左右的紫外线) ，使外界入射的光子和纤芯内的掺 杂粒子相且作川导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或菲周期性的永久性变化，住纤芯内形成空间 相位光栅。光纤光栅结构如图2 一l 所示。 纤芯光栅光纤 入射光 反射光 透射光 一一一+ 图2 1 光纤光栅不葸图 光纤光栅必须满足相位匹配条件： 卢- 一卢z 。芦等 ( 2 一1 ) 人是光栅周；f j ，届、履为耦合模的传播常数，前向传播为止，后向传播为负，卢为耦合模的 传橘常数筹。根据人的k 短不同，周期性的光纤光栅可以分为短周期利k 周期两类光纤光栅。对丁 短周期的光纤，匕栅，当j - 谱光波( 宽带) 在其中传播时，两个反向传播的芯模( 导模) l p n ，之间产 生能苗耦合，形成特定波k 为k 的反射波。对丁前向传播的l 圪。模ot8 0 。，对丁斤向传播的l r 。 模屈= 一成。，两耦合模的传播常数著；2 成。，将这种光栅称为布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 。光纤光栅中光波的传输特性如图2 2 所示： i 全生：! 三竺 - i ，坐 卜叫p4 一 - n i 竺一卢。- - n 竺 u 力竺卢。- 竺2# 1 i 图2 2 光纤光栅中光波的传输特性 当有光入_ ! ：f 寸时，f b g 能够反射波长满足布拉格发射条什的特定波k 的光。f b g 返同的窄带光波的 3 东南大学硕| j ：学位论文 中心波k 为九( 也称为布拉格波艮) 为： k ；2 n 4 | a 反射光带宽( 半峰值宽度) 为： 6 九8 | 九b ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 反射率r m 。为： r m u - t a n h 2 ( 警) 倍4 ， 上式中，l 够是纤芯的有效折射率；l 为光栅长度；6 。为纤芯折射率起伏；为纤芯折射率。 f b 6 中光波的光谱特性如图2 - 3 所示： l 入入 入 图2 3f b g 中光波的光谱特性 由式2 - 2 ，光栅的中心波长位移可以表示为m “引： 九t2 a 血研+ 知盯a 人 ( 2 5 ) 布拉格波长取决丁光栅周 f j 和纤芯的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理鼙都将引 起光栅布拉格波长的改变，通过检测光栅布拉格波长的变化就能够测出物理鼙的变化。麻变和温度 都能够导致人和以发生变化，当光栅受剑外界廊变作刚时，光栅的拉伸会导致光栅周期人的变化， 同时光弹效应会导致光栅折射率变化胛硝；当光栅受剑外界温度影响时，由丁材料热膨胀，会使光 栅周期人发生变化，同时折射率也会随着温度而变化，以上的变化都将导致布拉格波k 漂移。通过 对廊变的测鼙还可以实现对其它物理量的测鼙如：位移、振动、电磁场等。波长的漂移与应变和温 度的关系如f ： a 】 ；! = ( 1 一p ，) a e4 - ( 口+ 亭) 丁 ( 2 - 6 ) 九b 式中，是轴向应变丁是温度著，p ，是有效弹光系数，口和亭分别是光纤的热膨胀系数 和热光系数。波k 的漂移与麻变、温度的关系可以近似表示为： a 】 = 竺= k 。+ k ，丁 ( 2 7 ) 九 。 式中，k 。，砰分别为戍交、温度灵敏系数。由式2 7 可知，f b 6 的反射波k 与温度和戍变都 有比较好的线性关系，通过检测反射波k 的变化就能够计算出对应的温度和虑变的变化。这个就是 f b g 传感器测鼙温度和应变的基本原理。 2 2f b g 的波长解调方法 如何枪测传感光栅布拉格波k 的微小偏移是光纤布拉格光栅传感器实川化面临的关键题。 f b g 波长编码的解凋过稃中，一股使刖的是光谱仪、单色仪等仪器，但光谱仪一是价格偏：。五，不适 h j 丁普通j l i j 户；二是精度低，4 i 能满足高精度测餐要求；三是扫描速度慢，不适刚j ：实时怍要求较 高的场合；四是体积人，携带刁i 方便，不适川丁户外现场检测。此外，川光谱仪无法卣拨捩得所测 参量的人小。为此，发展了多种技术川丁波长编码的解调。门纳起来，解调技术主要有以卜儿种类 4 第二章光纤布拉格光栅解调系统 型：匹配滤波法、边缘滤波法、干涉法、可调光纤法布里珀罗腔法”o 儿。 下面对这些方法做简单的介绍。 1 匹配滤波法 匹配光栅滤波法是利用其他的f b g 或带通滤波光器件，在驱动元什的作用下跟踪f b g 的波k 变 化，然后，通过测鼙驱动元件的驱动信号来获得铍测麻力或温度。这种方法义可以分为反射型和透射 型。前者的原理是：测量f b g 的反射光入射剑接收f b g 上，若与接受f b g 的反射波长一致，则被反 射剑探测器上：通过p z t 驱动接受f b g 进行扫描，根据探测器的输出记录此时驱动信号的人小，就 可以得剑被测鹫的人小。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰的限制，同时对探测器也提出了较 高的要求。透射型与反射型的区别在丁二：前者的光电探洲器不是放在接收反射光的位置，而是放置 于接收透射光的何置，通过监测透射光的有无来确定是否匹配，从而避免了测量光强微弱的信号。 此方法要求采用高功率的宽带光源和高反射率的光纤光栅。 2 边缘滤波法 波分耦合器在1 5 2 0 - 1 5 6 0 n m 的波长范同内，耦合器的效率与波长基本早线性关系，因而可以 利用该特性米测量波k 的变化。宽带光源发出的光被传感光栅反射同来后进入耦合器，耦合器的出 射光分为两束( 这两束光的功率与入射光的功率住同一坐标系卜形如x ) ，两束出射光通过光电探测 器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响，最后得到波长的变化鼍。这种方法的电子处理 电路极为简单，但由丁受器件传输特性的影响测量分辨率较低。该方法对于一些对测量分辨率要求 不是很高的场合提供了一种结构简单、性能价格比很高的测量方案。 3 干涉法 光纤马赫一曾德干涉仪具有灵敏度高、易实现多路复用的特点，它对信号的解调是通过测鼍干涉 信号相位的变化米实现的，但这容易受干扰的影响，产生洲鼙的误筹。针对这个问题的解决方案是 对它的一臂进行解调，使得接收剑的信号为交流信号，而被测量的信息被载波在该交流信号上。避 免了直流检测。另一种方法是应刚迈克尔逊干涉仪，利用波长稳定的激光对干涉仪的光程著扰动进 行监测，然后进行反馈补偿。 对丁干涉扫描法而言，波长扫描器什的白由光谱范罔决定了确定测鼙范围的大小，波k = 扫描器 件的光科筹决定了波k 扫描器件的分辨率。波k 扫描器件的自由光谱范围与光程差是相互制约的。 冈此系统的测鼙范同与分辨率也是相互制约的。 4 可调谐f p 滤波器法 分布式f b g 传感系统在一根光纤中串接多个f b g 传感器s i ，s ：，s 3 s n 。宽带光源照射光纤时， 每一个f b g 反射i 口i 一个不同布拉格波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响如温度或麻变，都 将导致这个光纤光栅布拉格波长的改变。分布式光纤光栅传感解调系统通过洲昔各测试点光纤光栅 传感器反射光波长的精细变化米测世各点待测参鼙的变化。本解凋系统川耦合器引导光纤光栅反射 进入可调睹窄带光纤f - p 滤波器，通过电控压电陶瓷改变滤波器中的f - p 腔k 来改变f p 滤波器的导通 频带。在调谐控制信号的作川。卜i ，光纤f p 滤波器的导通频带扫描整个光栅反射光光谱。由了光纤f p 滤波器的导通频带很窄，当光纤f - p 滤波器的导通中心波k 与某一光纤光栅的布拉格波长相等时，有 且仅有一个光纤光栅的反射光通过光纤f p 滤波器进a , - 至i j 光电探测器，光电探测器将这一光纤光栅的 反射光变换成电信号，这个信号的峰顶对府丁从这光纤光栅反射同的波k 。当某个被洲f b g 例如 s - 往某时刻的铍测物理量如温度或者是府变发生改变，相应的反射f b g 波k ：发生改变，检测山的反 射波k 的改变对廊被测物理堵的变化。通过这种解凋方式，此解渊系统能以j l h z 频率至儿自- h z 的频 率进行扫描，在可调谐f _ p 滤波器的每个扫描周期中，所有光纤光栅传感器的布拉格波k 能得剑快速 测定。此解调系统可应川丁：各类分布式光纤光栅传感系统中。如图2 - 4 。 图2 - 4 可调谐f p 解调系统示意图 与其它几种解调方法相比，可调喈f - p 滤波器法光能利川率高，操作简单，适j h j 范嗣j ，具有 5 东南大学顾l ：学位论文 较宽的调谐范围，可人人提高测量范围和传感f b g 复川个数，可以实现较高的分辨率及测量精度。 2 3 分布式f b g 的波长解调技术 f b g 传感器实用化的一个关键技术就是多波长的解调检测方法，目前适用于f b g 传感器阵列的 解调技术主要采用两类：时分复川和波分复用。 ( 1 ) 时分复用 时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 是通过测量光脉冲返同到探测系统的时间来识别一 根光纤上的多个f b g 传感器。在t d m 系统中，每个f b g 传感器的中心波长都是一样的；同时要求 每个f b g 传感器都有一个比较低的反射率，这样可以保证透过前面f b g 的光到达下游的f b g 传感 器时仍然存住足够的光功率。对tt d m ，当环境改变时，从每个f b g 传感器的返同时间将随之改 变。t d m 技术是通过这些时间漂移米反映被测参数的变化的，如温度、廊力铸。这种方法的优贽在 丁制作的传感器川的f b g 的成本比较低。对tf b g 制造商来说制作中心波长一致的f b g 和反射率 低的f b g 相对比较容易，且成本低。但是随着f b g 制作技术的不断进步，这种优势止在逐渐的减 小。t d m 系统必须权衡考虑传感器采样频率与光源剑探测系统的距离。也就是说，在发送卜一个光 脉冲时，必须保证上一个光脉冲已经从最远的传感器返同。f b g 传感器之间的距离必须人于一个特 定值以便能清晰的辨别相邻的f b g 。 ( 2 ) 波分复用 波分复州( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 是在f b g 传感网络领域被广泛采用的技术。 波分复朋( w d m ) 就是把不同波长的信号复川在一根光纤上传输，从而提高了光纤带宽资源的利刚 率。显然这种方式的频谱利j j 率主要决定丁：携带信息的光源的线宽和峰值波k 的间隔人小：其次 是波分复川器件的性能。w d m 是通过波k 米辨别各个f b g 传感器的，这样就要求各个f b g 传感 器的中心波艮不能相同，必须存在一定的若值。分布式f b g 传感器是将传感光纤沿场分布，采川独 特的监测技术，感知光纤传输路径上待测场( 如麻力、温度、压力等) 的空间分布和随时间变化的 信息，而产生中心波k 的改变。分布式f b g 廊力和温度传感是分布式f b g 传感器中研究最活跃的 领域。人多数w d m 系统都包括两个基本光器什配置：激光二极管光源和可调喈滤波器。 2 4f b g 解调系统方案论证 开展光纤光栅传感解调系统的研究，首先要确定解凋方案。本章从解调系统的功能与系统设计 要求出发，在选定基本解凋方法之后对整个解凋方案进行了细化，组建了解凋试验系统。 2 4 1 系统功能与设计要求 f b g 光栅具有反射光为一特定波长的特点，并且反射光的波长随作用t f b g 光栅上麻变的变化 而轻微移动，光纤f b g 光栅作为一种新刑传感器来开发麻用，必须首，尤解决光纤f b g 光栅反射光波 k 的精确洲昔。分布式多f b g 光栅传感器波k 解调系统通过测鼍各测试点f b g 光栅传感器反射光波 k 的精细变化来测鼙各点的应变值。拟定实验系统的技术指标如f ： 波k 分辨率 、 取指：从存储器取出指令，并将其放入指令流水线； 译码：对指令进行译码； 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果； 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器：否则a l u 的结果只是简单地缓冲1 个时钟周 期，以便所有的指令具有同样的流水线流科； 同弓：将指令产生的结果同写剑寄存器堆栈，包括任何从存储器中读取的数据。 a r m 9 的5 级流水线和a r m 7 的3 级流水线相比，处理器的i 要处理功能在增加的流水线之间 经过重新分配，使时钟频率在相同的【：艺下得剑了提高。如图3 1 所示： i 取指令 t h u m b 解f l t 缩i a r m i 币码r e g i 丈i 移化a l i j l r e g lj 、r 、，t 夕、， 数靠- ：仃储 墩指令 译码i r e g i 虫 硌镪。| 1 1r e g * 器圻f u j 图3 - 1a r m 7 和a r m 9 流水线操作对比 基丁以上对a r m 7 和a r m 9 系列处理器的比较，以及对系统性能的考虑，本课题决定采用以 a r m 9 系列处理器为核心的嵌入式开发平台。而三星$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器就是一款基- j - a r m 9 2 0 t 标 准的a r m 处理器。 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 雨i 高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管弹虚拟内存。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。a r m 9 2 0 t 有两个 内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 刚丁调试控制，c p l 5 用丁存储系统控制以及测试控制。s 3 c 2 4 i o x 的上频_ i l 达2 0 3 m h z ，扩展总线最人频率1 0 0 m h z 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 的可扩展资源丰富，主要包括：1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f r 带有触摸屏的液 品显示，f ) ，s d r a m 控制器，3 个通道的u a r t ，4 个通道的d m a ，4 个具有p w m 功能的计时器 和1 个内部时钟，触摸屏接口，1 2 s 总线接口，2 个u s b 主机接u 嗣i1 个u s b 设备接口，2 个s p ! 接口，s d 接口和m m c 膏接口，看i j 狗计数器，1 1 7 位通川i 0 接l l 和2 4 位外部中断源，8 通道l o 位a d 控制器。$ 3 c 2 4 1 0 x 的功能模块如图3 2 所示【l7 j ： 1 2 第三章硬件控制系统 图3 2s 3 c 2 4 1 0 x 功能模块 $ 3 c 2 4 1 0 x 将系统的存储空间分成8 组( b a n k ) ，每组人小是1 2 8 m b ，共1 g b 。b a n k 0 剑b a n k 5 的开始地址是i 州定的，川丁r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用y - r o m 、s l 认m 或s d r a m ，这两 个组可编程且人小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周 期都可编稗。$ 3 c 2 4 1 0 x 采刖n g c s 7 ：0 8 个通川片选信号选择这些组。 s 3 c 2 4 1 0 x 支持从n a n df l a s h 启动。n a n dh a s h 具有容量人、比n o rf l a s h 价格低等特点。 系统采川n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 x 具有三种启动方式， 可以通过o m i ：0 i 管脚进行选择： o m 1 ：0 1 = o o 时，处理器从n a n df l a s h 启动： o m f l ：0 = 0 1 时，处理器从1 6 位宽的r o m 启动： 0 m 1 ：0 = 1 0 时，处理器从3 2 位宽的r o m 启动。 0 x f f f ff f f f o x 6 0 0 00 0 0 0 0 x 4 8 0 00 0 0 0 o ) c 柏0 00 f f f o x 4 0 0 0o o o o o x 3 8 0 00 0 0 0 o x 3 0 0 00 0 0 0 o x 2 8 0 0o o o o o x 2 0 0 0o o 【) o 0 x 1 8 0 00 0 0 0 0 x 1 0 0 00 0 0 0 o x 0 8 0 00 0 0 0 o m ( i ：o ) = 0 1 ，1 0o m ( 1 ：o ) = 0 0 b o o t s r a m ( 4 k b y t e s ) s r o m s d r a m ( n g c s 7 ) s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) s r o m ( n g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s i ) s r o m ( n g c s o ) n o t u s e d s f r a r e a n o t u s e d s r o m s d r a m ( n g c s 7 ) s r o m s d i 渊 ( n g c s 6 ) s r o m ( n g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s l ) 1 3 0 0 1 1 1 1 i c r n a l s r a m ( 4 k b ) 1 g b i u s i n gn a n df l a s hf o rb o o ! r o m j s f r ：s p e c i a if u n c t i o n g i s k f 图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 x 启动以后内存映射 如图3 3 所示【s l ，h j 户i i ，以将引导代码和操作系统映像存放在外部的n 心mf l a s hl i ，并4 a n a n d 1 3 东南人学硕仁学位论文 f l a s h 启动。当处理器在这种模式f 上电复何时，内置的n a n df l a s h 控制器将访问控制其接口，并 将引导代码自动加载剑内部s r a m ( 此时s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，容颦为4 k 8 ) 并且 运行。之后，s r a m 中的引导程序将操作系统映像加载剑s d r a m 中，操作系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕以后，4 k b 的启动s r a m 就可以用丁其他心途。如果从其他方式启动，启动r o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 删o o ，处理器直接在r o m 上运行启动程序，而4 k b 的启动 s r a m 被定位于内存地址0 x 4 0 0 0 ( k ) 0 0 处。 3 5 系统硬件设计 前面已经比较系统地介绍了光路部分和a r m 处理器，这里将着重介绍布拉格光栅波长解调的 信号扫描和数据采集电路设计部分。为了提高效率，节约开发成本，硬件部分设计选刚优龙公司出 品的f s 2 4 1 0 _ c o r ev 5 0 作为核心板。冈此底板设计包括以下内容：r s 2 3 2 接口、两个u s b 接口、 一个l c d 接口、s d 卡接口、电源、网 和信号调理部分。硬件结构如图3 _ 4 所示。 3 5 1 扫描信号模块设计 图3 4 系统硬t l ：结构 通过在f p 腔的压电体( p z t ) 上施加锯齿波扫描电乐，调。1 7 其腔间隔，当f p 的透射波峰与f b g 的 反射波峰重合时，f p 滤波器的透射光强最人，不同的扫描电压对应的透射光的波k 不同，这样，就 使多个f b g 同一时刻反射f 川来的不同中心波长的光脉冲信号在同一扫描周期的不同时刻通过f p 腔。 本系统选用的光源带宽在5 0 n m 左( j ，根据系统设计的要求波k 的分辨率小丁5 p m ，扫描周期为 卜2 0 0 h z 范罔内，以满足不同对象的需求。为了能够达剑应川要求，在d a c 选璎时我们必须考虑以卜 两个指标：1 ) 精度。光源带宽为5 0 n m ，波长分辨率要低丁5 p m ，也就是说住一个扫描周期内d a c 至少 要输i l j l 0 1 个点：2 ) 速度。我f f j 假设扫描周期设定为5 0 h z ( 住系统设置界面里可调) ，那么在一秒 中止j d a c 至少要输出5 0 万个点，d a c 的建t 时间应当低丁2us 。综合以上冈素，本系统的d a c 决定选刖 a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 6 6 9 。a d 6 6 9 的特性如卜： 1 6b i t s 并行输入，电压输i l j 形式； + i l s b 积分线性误筹，高稳定性； 最快4 0 n s 的写入速度； 单极性( 0 1 0 v ) 和舣极性( 1 0 v 1 0 v ) 输出： 两级缓冲结构，满足多个a d 6 6 9 级联； a d 6 6 9 的连接如图3 5 所示。 1 4 第二三章硬件控制系统 等等4v e e r e f o u t ：! 型： v c cr e f 州 ，6 m 面v i n 5 v 3 v i a - , d g n d 鲫i = =一6 n d 旦垡虹1 j 一却岫，b i pa f f 鲥 。帅 二，西勰 鲤堡2 一，：，西 d a t a l 5 一d a t a l 5 d a t a l 4 睾一d a t a l 4 d a t a l 3 d a t a l 3 d a t a l 2 一d a t a l 2 d a t a l l 一d a l a l l d t a l o 睾_ 一d a l j 1 0 d a t a 9 一d a l a 9 d a t a 8 三= 一d a t a 8 l d a c - ：墨l 一壁垒蛙，- g c 鸵 ， d a t a 0 _ 眚 一d a t a 0 d a l a l 音一d a l _ a l d a t a 2 寺詈一队t a 2 d a t a 3 畸壬一 dat3 d a t a 4 畸昔一 d ar a 4 d a t a 5 _ 一 d a t a 5 d a t a 6 _ 詈一 data6 d a t a 7 - 二二一 d a t a 7 图3 5 a d 6 6 9 的连接 a d 6 6 9 的2 6 、2 7 、2 8 引脚连接方式使得a d 6 6 9 为双极性输出。由t - a d 6 6 9 的输出电压范围为i o v + 1 0 v ，而f - p 滤波器的输入电压范围要求为1 4 v 2 8 6 v ，还需要一级可调放人电路，如图3 6 。 图3 _ 6a d 6 6 9 输出信号调理电路 通过改变r p i 得剑所需要的输出电压范围。 3 5 2 数据采集模块设计 如果系统1 ：作的锯齿波电乐的扫描频率设定为5 0 h z ，前面分析为了达剑系统设计要求，a d 6 6 9 一个扫描剧j 】内至少得输出1 0 4 个点，那么所选a d c 在一秒中内必须能够采样5 1 0 5 个点，即采样 速率至少为5 0 0 k 。由r 在后续的软件设计部分，建立了波k 和扫描电胝之间的数学关系，从这个意 义上讲1 2 位的a d c 的精度对系统解调精度没有影响。综合上面的分析，为了提高系统的性能，系 统选川m a x i m 公n j 的m a x l 2 7 6 。m a x l 2 7 6 的特性如卜： 高达1 8 m s p s 的采样速率，带内部电压基准； 低功牦，仪仪5 5 m w 的功耗； 高速、s p i 线串行接u ； 内部真差分输入，更盘r 地抑制噪声，改进的火真特性： 体积小，1 2 引脚t q f n 封装； 幽3 7 所示为m a x l 2 7 6 的连接方式。 l l 氢、，。 x - 2 u t 22 “ i 1 占 图3 7m a x l 2 7 6 的连接 1 5 东南人学硕i ：学位论文 从成本上考虑，采集两路p i n 信号可以使川模拟多路开关切换以采集信号，但是为了不牺牲采 集速率使系统达到最人的数据采集性能，本系统使用了两块m a x l 2 7 6 分别采集两路信号。 在2 5 一侈中介绍的用p i n 光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光一电流一电压变换 器。p