基于DSP的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采樣，本系統(tǒng)選用美國(guó)AD公司推出的一種12位帶并行微機(jī)接口的逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD1674內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存／三態(tài)輸出緩沖器。

本系統(tǒng)采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點(diǎn)DSP芯片可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號(hào)的處理、步進(jìn)電機(jī)的控制和顯示等。該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語(yǔ)言可使TMS320VC5402方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)尋址與卷積運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)高速度解調(diào)。

2.2　 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)的軟件部分主要由初始化程序、線性插值子程序或者曲線擬合子程序、顯示程序、驅(qū)動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序等幾部分組成，可以將A／D轉(zhuǎn)換和串行通訊代碼放在中斷服務(wù)程序中來(lái)實(shí)現(xiàn)。

初始化程序用于完成DSPI／O口、內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調(diào)A／D轉(zhuǎn)換和步進(jìn)電機(jī)的控制，可由DSP發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，以使經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào)與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對(duì)應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號(hào)經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過(guò)查表動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力顯示。

當(dāng)匹配光柵反射波長(zhǎng)與光纖光柵反射波的中心波長(zhǎng)重疊時(shí)，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號(hào)，并向DSP請(qǐng)求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以將DSP內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量讀入DSP并保存起來(lái)，最后通過(guò)串行口發(fā)送到上位機(jī)再中斷返回。

3　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由實(shí)驗(yàn)可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過(guò)程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長(zhǎng)漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長(zhǎng)隨砝碼質(zhì)量變化的曲線圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長(zhǎng)變化量與懸臂梁自由端所施加的砝碼質(zhì)量成較好的線性關(guān)系，并且具有較高的靈敏度。

實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)增加砝碼的質(zhì)量施加對(duì)懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個(gè)匹配光柵反射光信號(hào)分別被各自對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器所接收。光電探測(cè)器輸出的模擬電壓信號(hào)則由以DSP為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測(cè)到的外界物理量的大小。

當(dāng) PD1對(duì)應(yīng)處理后的電壓信號(hào)值為5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為A和C，即對(duì)應(yīng)的有兩個(gè)光纖布拉格光柵的波長(zhǎng)值。因此，對(duì)于這個(gè)5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無(wú)法直接判斷出對(duì)應(yīng)的懸臂梁負(fù)載的質(zhì)量是A點(diǎn)還是C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會(huì)存在兩個(gè)匹配光柵并對(duì)應(yīng)兩個(gè)光電探測(cè)器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過(guò)PD1和PD2兩者所對(duì)應(yīng)的電壓值來(lái)確定產(chǎn)生5V電壓時(shí)所添加的砝碼質(zhì)量。實(shí)際上，可通過(guò)DSP系統(tǒng)的運(yùn)算處理得到匹配光柵中心波長(zhǎng)的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長(zhǎng)變化量。對(duì)于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴(kuò)大傳感光柵的測(cè)量范圍。光電探測(cè)器的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后的電壓隨應(yīng)力的變化曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進(jìn)新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測(cè)器導(dǎo)致的測(cè)量范圍受限的問(wèn)題，也解決了匹配法中存在的雙值問(wèn)題。該解調(diào)系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進(jìn)行處理，不僅提高了響應(yīng)速度，而且提高了解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。減小了匹配光柵因應(yīng)力過(guò)大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測(cè)量進(jìn)行解調(diào)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調(diào)精度、速度及靈敏度。