基于STM32的FFP-TF法FBG傳感系統(tǒng)設(shè)計

摘要：通過對FBG傳感器、FFP-TF(可調(diào)諧光纖F—P濾波器)以及STM32微控制器的研究，設(shè)計了一種光纖光柵傳感系統(tǒng)。該傳感系統(tǒng)具有精密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶、使用方便、適用于野外作業(yè)等優(yōu)點。本文給出了傳感系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)。

目前，F(xiàn)BG(Fiber Bragg Grating)傳感器已成為光纖光柵傳感領(lǐng)域研究的熱點之一，在石油化工，海洋探測，航空航天，煤礦開采等領(lǐng)域都有著極其可觀的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)傳感器將電信號作為待測參量的載體，而FBG傳感器是將光信號作為待測參量的載體。由于光的特性(安全、絕緣、抗電磁干擾等)及光纖獨有的優(yōu)點(質(zhì)輕、質(zhì)軟、耐腐蝕等)使得FBG傳感器能夠制成具有不同特定功能、任意形狀的光纖傳感器FBG傳感器可以完成在高溫區(qū)、輻射區(qū)、狹小空間、強(qiáng)電磁干擾以及高電壓環(huán)境等傳統(tǒng)傳感器難以完成或者不能完成的任務(wù)。FFP—TF(FiberFab ry-Perot Tunable Filter)解調(diào)法具有調(diào)諧范圍廣、靈敏度高等優(yōu)點，能夠直接輸出與FBG反射中心波長對應(yīng)的光解調(diào)信號，可廣泛應(yīng)用于需要多點掃描的測量當(dāng)中。

STM32系列32位閃存微控制器集先進(jìn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)、出眾創(chuàng)新的外設(shè)、良好的功耗控制和低成本于一體，具有指令效率高、響應(yīng)速度快、實時性能優(yōu)異、易于開發(fā)、代碼方便移植等優(yōu)點。因此，將STM32微控制器引入到解調(diào)系統(tǒng)中，開發(fā)了一個應(yīng)用STM32微控制器處理數(shù)據(jù)的FBG傳感系統(tǒng)。

1 FFP-TF解調(diào)原理

用可調(diào)諧F—P濾波器法對FBG傳感器反射中心波長解調(diào)的基本原理如圖1所示。

寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)光隔離器，再經(jīng)過3 dB耦合器耦合到反射FBG傳感陣列中，F(xiàn)BG傳感器反射回來的不同波長的光波再經(jīng)由耦合器耦合到可調(diào)諧F—P濾波器中?？梢越普J(rèn)為FBG的反射光譜符合高斯分布，設(shè)其中心波長為λB，其帶寬為δ0。由于FBG的反射光譜帶寬僅為0.2 nm，寬帶光源光強(qiáng)在這段區(qū)間內(nèi)可以近似認(rèn)為是平均分布的，設(shè)FBG的反射譜為G(λ)，則有式(1)：

式(2)中的λ的范圍由光源范圍決定，其中R、n、φ分別為F—P濾波器的反射率、折射率、光入射角。透過光纖F—P濾波器的光纖光柵反射光由PD(光電探測器)接收，PD接收到的光功率PD(λ)是FBG反射譜和F—P濾波器透射函數(shù)的卷積積分如式(3)：

由于PZT(壓電陶瓷)可以很好地將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在外加電動勢的作用下可產(chǎn)生形變，故可用壓電陶瓷作為F—P腔的驅(qū)動元件，在微位移驅(qū)動器的周期性驅(qū)動下，F(xiàn)FP-TF腔長進(jìn)行周期性的伸縮，使其透射波長在某一范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。設(shè)被測FBG中心波長λB在t0時刻滿足FFP-TF透過的極大條件，即滿足(5)式，PD此時輸出電壓峰值。

2(L+△L)=kλB (5)

式(5)中的L為FFP-TF的初始腔長，△L為腔長的變化量，k為干涉級數(shù)，是任意整數(shù)。根據(jù)提前標(biāo)定的FFP-TF的腔長變化、微位移驅(qū)動器周期驅(qū)動與時間的關(guān)系，可以求出被測FBG的中心波長λB。再根據(jù)FBG中心波長的移動范圍即可得到FFP-TF透射光波對應(yīng)的光纖光柵傳感點，從而可實現(xiàn)FBG的分布式傳感。其中信號采集、信號處理、掃描電壓控制以及顯示過程由嵌入式微處理器完成。

2 解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)主要分為兩個模塊：光信號處理模塊與電信號處理模塊。光信號處理模塊主要用來跟蹤分析傳感光纖光柵的中心反射波長的漂移，將光信號波長信息轉(zhuǎn)換為電信號;電信號處理模塊主要用來完成對光信號處理模塊轉(zhuǎn)換來的電信號進(jìn)行處理和運算，轉(zhuǎn)為數(shù)字信息，提取到外界信息后，最后以用戶熟悉、界面友好的形式輸出顯示。系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：光路系統(tǒng)，擴(kuò)展電路以及嵌入式控制系統(tǒng)。

2.1 光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)主要是由寬帶光源、光隔離器、3 dB耦合器、FBG傳感網(wǎng)絡(luò)及可調(diào)諧F—P濾波器部分等組建而成。光路系統(tǒng)需要外界提供掃描電壓給可調(diào)諧F—P濾波器，用來驅(qū)動可調(diào)諧F—P濾波器。

2.2 擴(kuò)展電路

擴(kuò)展電路主要包括A/D輸入模塊以及D/A輸出模塊。A/D輸入模塊中PIN光電二極管將FFP-TF的透射光譜轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過信號放大調(diào)理電路將光路系統(tǒng)輸出的電壓信號進(jìn)行放大調(diào)理，再送至STM32系統(tǒng)進(jìn)行A/D采樣。D/A輸出模塊用來對光路系統(tǒng)中的可調(diào)諧F—P濾波器提供掃描電壓。

2.2.1 A/D輸入模塊

光電檢測電路是由一個實為光-電流-電壓轉(zhuǎn)換的PIN光電二極管及相關(guān)電路部分組成。PIN光電二極管的缺點是輸出的電流一般只有數(shù)微安。PIN光電二極管將接收到的光信號變?yōu)榕c之成對應(yīng)比例的微弱電流信號，經(jīng)運算放大器以及與PIN光電二極管的串聯(lián)電阻所組成的放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。持續(xù)光照的PIN光電二極管可看成一個電流源，當(dāng)它的負(fù)載阻抗為零時，輸出特性為最好。

A/D轉(zhuǎn)換是采樣電路的核心，考慮到系統(tǒng)對分辨率、速度與精度等參數(shù)的要求，ADC芯片選用Burr-Brown公司出品的ADS8320，16位精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，最高采樣頻率為100 kHz。超低功耗和體積小使ADS8320成為理想的便于攜帶和電池供電系統(tǒng)。

2.2.2 D/A輸出模塊

可調(diào)諧F—P掃描電壓由單片機(jī)通過外圍電路產(chǎn)生，根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的動態(tài)掃描范圍為40 nm，分辨率為1 pm，故D/A芯片的位數(shù)N應(yīng)該滿足：

2N≥(40·1 000 pm)/1 pm (6)

即N≥16，為了給可調(diào)諧F—P濾波器提供一個高精度的電壓供給，決定選用DAC8811芯片，16位精度的高速D/A轉(zhuǎn)換芯片。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)

主控芯片選用ST公司推出的基于Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103C8T6芯片，它集先進(jìn)Cortex—M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)、良好的功耗控制、出眾創(chuàng)新的外設(shè)和低成本于一體。STM32擁有全系列軟件的高度兼容性及腳對腳和外設(shè)，能夠在不修改軟件及原始框架的條件下，可將應(yīng)用精簡為使用更少的存儲空間，或升級為需要更多的存儲空間。

3 解調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)STM32易于開發(fā)，可使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場的特點，采用STM32固件庫進(jìn)行編寫。STM32固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問STM32的各個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)了如下功能：

1)制FBG解調(diào)系統(tǒng)的工作;

2)采樣濾波電路所處理過的電信號;

3)給PZT提供鋸齒波驅(qū)動電壓，若某時采集到FBG信號，則記錄此時的驅(qū)動電壓，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;

4)根據(jù)FBG傳感器所測量的外界物理量與本身中心波長的對應(yīng)關(guān)系，計算出所測物理量的值并顯示結(jié)果。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

進(jìn)行溫度測試實驗。光源選用ASE-C型C波段寬帶光源，工作波長范圍為1 525.nm～1 565 nm。傳感器選用GFRP封裝的FBG溫度傳感器，30.0 ℃時標(biāo)定的中心波長為1 553.971 nm，溫度系數(shù)為19.05 pm/℃。將FBG傳感器放入溫控箱，不受外界應(yīng)變的影響。從20℃開始，每增加10℃定溫20 min測定一次波長，直至80℃。測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

將測得的數(shù)據(jù)繪制成波長一溫度曲線圖，如圖2所示。圖中的‘▲’表示波長理論值，‘’表示波長實際測量值，‘■’表示理論波長與實際測量波長的絕對誤差值，‘●’表示標(biāo)定溫度與實際測量溫度的誤差值，直線為對數(shù)據(jù)進(jìn)行的線性擬合。x軸表示溫度，y軸表示波長或者溫度。

從測試結(jié)果來看，該溫度傳感系統(tǒng)具有良好的線性度，測得的波長、溫度與理論波長、標(biāo)定溫度基本一致，各點的波長偏差在±4 pm以內(nèi)，系統(tǒng)的溫度測量精度可達(dá)±0.2 ℃。

5 結(jié)論

本文提出了基于STM32的FFP-TF法FBG傳感系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了STM32控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。該傳感系統(tǒng)具有測量速度快，精確度高等優(yōu)點，達(dá)到了對溫度的實時精確測量的目的。該傳感系統(tǒng)可用于智能結(jié)構(gòu)(石油化工、海洋探測、航空航天、煤礦開采等)的溫度等參數(shù)的采集，具有較高的應(yīng)用價值。