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1 引言 布拉格光纖光柵是一種利用準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，阻止特定波長光的傳播，并將其反射回來。被布拉格光纖光柵反射回來的光的波長與布拉格光柵結構相關。由于光纖的變形直接影響其內部布拉格光柵的結構，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設計的各種物理量傳感器，如應變、壓力、溫度等，通過檢測這些傳感器反射光的波長變化，就可以得到所需的被測物理量。由于光和光纖的特有性質，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、性能穩定、抗電磁干擾和惡劣環境能力強、與電隔離安全級別高等系列優點，受到工程應用領域越來越多的關注，特別是如大型結構永久性變形和強度監測系統、油氣等易燃易爆高危環境現場監測等，更是亟待具有這類特殊性質的傳感器。 布拉格光纖光柵傳感器的輸出是光信號，分析識別這些光信號的波長，才能得到被測信號的物理量。工程上通過光纖法-柏分析器，將布拉格光纖光柵傳感器輸出的光信號解調為電信號，再由電路系統進行處理。因此，如何控制光纖法-柏分析器工作、準確分析解調信號是布拉格光纖光柵傳感信號處理系統的基本問題。同時，常常作為特殊和重大應用領域的監測設備，對系統的智能化、網絡化等功能，也是系統設計時必須考慮的問題。 本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0為硬件核心，uC/OS-II 嵌入式實時操作系統為軟件平臺，設計并實現了一套嵌入式的具有圖形化人機界面、Internet網絡接口、文件服務與數據記錄、多種通信接口等功能的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統。 2 系統工作原理與硬件設計 布拉格光纖光柵傳感器常常用在特殊和重要領域，作為布拉格光纖光柵傳感器信號處理系統，不僅要求能夠準確可靠、高性能地完成傳感信號的解調工作，工程上還常常要求系統具有高標準的附加功能，如：Internet連接、USB接口、標準串行口、非易失性數據記錄、圖示化人機界面、便攜等，要達到這些要求，采用嵌入式微控器作為系統的控制核心是一種最佳選擇。 系統的控制核心還須控制布拉格光纖光柵傳感信號的解調和對解調后信號的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號解調的光纖法-柏分析器事實上是一個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，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與輸入窄帶光光譜相對應的時間域電信號。這個時域信號經過放大、整形，處理為一個系列脈沖信號，這個系列脈沖信號中的各個脈沖在時間域上的相對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指示了這個解調過程。由于布拉格光纖光柵僅反射特定波長的光波，通過合理設計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。工程中一般設計成將多個傳感器串連使用，這樣，每個信號解調器就可以同時完成對多個傳感器的解調工作。這也是布拉格光纖光柵傳感器的另一個優點。 圖1 布拉格光纖光柵傳感信號解調過程 識別脈沖信號中各個脈沖所出現的相對時刻是對這個信號進行處理的主要任務，對它的識別精度直接關系到系統測量精度和性能。按照工程上要求和現有光纖法-柏分析器性能指標，要求系統測量速度不小于50次/秒，測量分辨率大于1/30000。這就要求脈沖時間識別的分辨率達到1/1500000秒，約為0.67uS。考慮到光纖法-柏分析器要求的回掃時間損失，脈沖時間識別的實際分辨率必須小于0.50uS。 S3C44B0微控器的定時器是按每2個系統時鐘周期為單位計時。因此，若采用S3C44B0微控器，系統時鐘頻率設定64MHz，用定時器計時，則計時分辨率為Δt1=2/64 us。在一個單一的中斷系統中，S3C44B0的中斷響應時間為5"29個時鐘周期。執行指令所需的固定時間和中斷響應最短時間可以通過軟件予以消除，而可能產生不可預計的最大計時誤差Δt2為24個時鐘周期，即Δt2=24/64 us。設： ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us (1) 則通過軟件設計，可以使系統總的計時誤差在±ΔT/2，即±0.2 uS 之內，可以滿足系統要求。直接利用 S3C44B0微控器的定時器和外部中斷來處理脈沖時間識別問題，這給系統設計帶來較大簡化。 針對上述各項要求，我們以S3C44B0微控器為核心，設計了一套布拉格光纖光柵傳感信號處理系統。整個系統的硬件原理如圖2所示。 圖2 系統的硬件原理圖 系統對布拉格光纖光柵傳感信號解調時，先給出光纖法-柏分析器掃描的門控信號，再測量經過處理的各個信號脈沖在門控時限內所出現的相對時刻。設Trise為門控信號開始， tb1、tb2、tm1、tm2……tmn分別為各脈沖相對于Trise的時間，其中，tb1、tb2為光纖法-柏分析器解調參考基準，tm1、tm2……tmn是n個不同波長傳感器所產生脈沖的時間，如圖3： 圖3 解調信號波形 則各傳感器所產生脈沖在門控時限內所出現的相對時刻，可由下列計算公式決定： 設 是已知的三組數據，則對任意的輸入有： 圖4 標定關系 3 系統軟件設計 本系統采用uC/OS-II作為操作系統，負責任務的調度和任務間通信。系統一共設有4個任務：測試任務、界面交互任務、網絡任務和網絡服務任務。測量任務在就緒狀態下被測量中斷喚醒。同時該任務還可以和網絡服務任務和界面交互任務通信，接受用戶的參數更改。界面任務選擇在串口終端或LCD上顯示用戶信息，并接受鍵盤輸入，根據輸入對系統工作參數、顯示方式等做出相應調整，或將指令傳遞給測量任務。網絡任務實現TCP/IP協議和套接字服務，它負責高層軟件的網絡通信。網絡服務時針對解調儀的遠程操作設計的一個服務進程。它負責處理用戶從網絡發來的請求并做出響應。各任務之間關系如圖5所示。 4個任務的優先級安排從高到低為：測量任務——界面任務——網絡任務——網絡服務。uC/OS-II采用基于優先級的搶占式任務調度方式，所以，其余任務不會影響到測量任務的實時性。 系統針對測量數據實時記錄的要求，設計了一個文件服務系統。文件的存儲介質采用非易失性存儲器NAND FLASH。由于NAND FLASH的格式與MSDOS 的FAT文件系統格式相一致，所以本系統采用FAT文件系統。系統在uC/OS-II上移植了lw/IP[]，實現了TCP/IP協議。并提供了一個服務進程，用戶可以通過網絡監控解調儀的狀態、下載數據文件等。 系統的界面任務設計是針對4個輸入按鍵、一個RS232接口和一個320*240彩色LCD的硬件環境。在LCD屏幕區設計有系統操作功能菜單，以及顯示測量數據變化曲線的圖形區。軟件設計使得用戶可通過4個按鍵、LCD上的功能菜單完成與系統的交互操作。與界面任務設計相關的信息也同時以文本格式輸出到串口終端。 4 系統實現 實驗原型系統如圖6。系統的主要功能和性能如下： 1）分辨率：滿量程1/30000，最大測量速度：50次/s； 2）圖形界面，4鍵控制，320*240 彩色LCD顯示； 3）支持串口終端操作； 4）網絡遠程監控和歷史數據下載； 5）支持USB數據下載； 6）文件系統容量：32/64MB。 圖6 實驗原型系統 5 結論 本文實現的系統代替目前布拉格光纖光柵解調較多使用的“上位PC機+下位單片機”模式有了較大進步，該系統能夠較好發揮布拉格光纖光柵傳感器的性能和優點，功能也符合大多數工程應用領域所提出的要求。原型系統經過現場實驗證明，測量指標達到設計要求，運行穩定。 系統對光纖法-柏分析器輸出信號處理時采用了較為簡單的處理方法，雖然能夠滿足工程測量中的基本要求，但如果要求進一步提高系統測量分辨率和準確性，則對信號的處理方法需要改進。50次/s的測量速度和1/30000分辨率也達到了S3C44B0微控制器直接處理的最大限度。 |
