基於S3C44B0的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統的設計與實現

2021-01-10 電子產品世界

1   引言 

布拉格光纖光柵是一種利用準分子雷射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，並將其反射回來。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。由於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。由於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、抗電磁幹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。

本文以基於ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0[1]為硬體核心，uC/OS-II [2]嵌入式實時作業系統為軟體平臺，設計並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   系統工作原理與硬體設計 

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，採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後信號的處理。用於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，處理為一個系列脈衝信號，這個系列脈衝信號中的各個脈衝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。由於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

識別脈衝信號中各個脈衝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係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於50次/秒，測量解析度大於1/30000。這就要求脈衝時間識別的解析度達到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，脈衝時間識別的實際 解析度必須小於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，若採用S3C44B0微控器，系統時鐘頻率設定64MHz，用定時器計時，則計時解析度為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體予以消除，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) 

則通過軟體設計，可以使系統總的計時誤差在


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