基于S3C44B0的布拉格光纖光柵傳感信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
加入技術(shù)交流群
布拉格光纖光柵是一種利用準(zhǔn)分子激光等方法在光纖中加工的有序光柵，布拉格光纖光柵可以改變光在光纖中的傳播性質(zhì)，阻止特定波長(zhǎng)光的傳播，并將其反射回來。被布拉格光纖光柵反射回來的光的波長(zhǎng)與布拉格光柵結(jié)構(gòu)相關(guān)。由于光纖的變形直接影響其內(nèi)部布拉格光柵的結(jié)構(gòu)，所以布拉格光纖光柵可以用作一種敏感元件。布拉格光纖光柵傳感器就是利用布拉格光纖光柵的這一性質(zhì)設(shè)計(jì)的各種物理量傳感器，如應(yīng)變、壓力、溫度等，通過檢測(cè)這些傳感器反射光的波長(zhǎng)變化，就可以得到所需的被測(cè)物理量。由于光和光纖的特有性質(zhì)，布拉格光纖光柵傳感器作為一類新型傳感器 ，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗電磁干擾和惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、與電隔離安全級(jí)別高等系列優(yōu)點(diǎn)，受到工程應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的關(guān)注，特別是如大型結(jié)構(gòu)永久性變形和強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油氣等易燃易爆高危環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等，更是亟待具有這類特殊性質(zhì)的傳感器。
布拉格光纖光柵傳感器的輸出是光信號(hào)，分析識(shí)
本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0[1]為硬件核心，uC/OS-II [2]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套嵌入式的具有圖形化人機(jī)界面、Internet網(wǎng)絡(luò)接口、文件服務(wù)與數(shù)據(jù)記錄、多種通信接口等功能的布拉格光纖光柵傳感信號(hào)處理系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計(jì)
布拉格光纖光柵傳感器常常用在特殊和重要領(lǐng)域，作為布拉格光纖光柵傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)，不僅要求能夠準(zhǔn)確可靠、高性能地完成傳感信號(hào)的解調(diào)工作，工程上還常常要求系統(tǒng)具有高標(biāo)準(zhǔn)的附加功能，如：Internet連接、USB接口、標(biāo)準(zhǔn)串行口、非易失性數(shù)據(jù)記錄、圖示化人機(jī)界面、便攜等，要達(dá)到這些要求，采用嵌入式微控器作為系統(tǒng)的控制核心是一種最佳選擇。
系統(tǒng)的控制核心還須控制布拉格光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)和對(duì)解調(diào)后信號(hào)的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)的光纖法-柏分析器事實(shí)上是一個(gè)壓控的光帶通濾波元件，如果給布拉格光纖光柵傳感器注入寬帶光信號(hào)，將布拉格光纖光柵反射的窄帶光加到光纖法-柏分析器的輸入端，通過給光纖法-柏分析器的壓控端加上一個(gè)三角形的掃描電壓，則在光纖法-柏分析器的輸出端即可得到一個(gè)與輸入窄帶光光譜相對(duì)應(yīng)的時(shí)間域電信號(hào)。這個(gè)時(shí)域信號(hào)經(jīng)過放大、整形，處理為一個(gè)系列脈沖信號(hào)，這個(gè)系列脈沖信號(hào)中的各個(gè)脈沖在時(shí)間域上的相對(duì)位置就包含了布拉格光纖光柵傳感器反射的窄帶光光譜信息。圖1指示了這個(gè)解調(diào)過程。由于布拉格光纖光柵僅反射特定波長(zhǎng)的光波，通過合理設(shè)計(jì)各傳感器反射的中心頻率，布拉格光纖光柵傳感器可以串連使用。工程中一般設(shè)計(jì)成將多個(gè)傳感器串連使用，這樣，每個(gè)信號(hào)解調(diào)器就可以同時(shí)完成對(duì)多個(gè)傳感器的解調(diào)工作。這也是布拉格光纖光柵傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
圖1 布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)過程
識(shí)別脈沖信號(hào)中各個(gè)脈沖所出現(xiàn)的相對(duì)時(shí)刻是對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理的主要任務(wù)，對(duì)它的識(shí)別精度直接關(guān)系到系統(tǒng)測(cè)量精度和性能。按照工程上要求和現(xiàn)有光纖法-柏分析器性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)測(cè)量速度不小于50次/秒，測(cè)量分辨率大于1/30000。這就要求脈沖時(shí)間識(shí)別的分辨率達(dá)到1/1500000秒，約為0.67uS。考慮到光纖法-柏分析器要求的回掃時(shí)間損失，脈沖時(shí)間識(shí)別的實(shí)際 分辨率必須小于0.50uS。
S3C44B0微控器的定時(shí)器是按每2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為單位計(jì)時(shí)。因此，若采用S3C44B0微控器，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率設(shè)定64MHz，用定時(shí)器計(jì)時(shí)，則計(jì)時(shí)分辨率為Δt1=2/64 us。在一個(gè)單一的中斷系統(tǒng)中，S3C44B0的中斷響應(yīng)時(shí)間為5~29個(gè)時(shí)鐘周期。執(zhí)行指令所需的固定時(shí)間和中斷響應(yīng)最短時(shí)間可以通過軟件予以消除，而可能產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的最大計(jì)時(shí)誤差Δt2為24個(gè)時(shí)鐘周期，即Δt2=24/64 us。設(shè)：
ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us (1)
則通過軟件設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)總的計(jì)時(shí)誤差在
評(píng)論