基于嵌入式系統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究

張媛　高飛

摘 要： 對基于DSP和ARM的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進行研究。針對以DSP，ARM為核心的系統(tǒng)電學(xué)部分進行設(shè)計；對信號解調(diào)算法的軟件實現(xiàn)進行研究；最后，敘述了系統(tǒng)整體搭建的情況，同時還分析了對系統(tǒng)進行整體測試的情況，將理論研究運用到實際系統(tǒng)中，得到的實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的實用性。

關(guān)鍵詞： 光纖光柵； 可調(diào)諧F?P濾波器； 嵌入式系統(tǒng)； 尋峰與解調(diào)算法

中圖分類號： TN919?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）05?0097?04

Abstract： The fiber Bragg grating demodulation system based on DSP and ARM is studied. The electrical part of the system taking DSP and ARM as the core was designed. The software implementation of the signal demodulation algorithm is studied. The overall construction situation of the system is described， and its overall test situation is analyzed. The theoretical research is applied to the practical system. The practicality of the system was verified with experimental results.

Keywords： fiber Bragg grating； tunable F?P filter； embedded system； peak searching and demodulation algorithm

隨著光纖的出現(xiàn)以及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)逐漸成為一門新興的研究領(lǐng)域。當前，國內(nèi)外的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，對于光纖光柵傳感及解調(diào)系統(tǒng)的需求越來越大。在實際的工程應(yīng)用當中，低成本、便攜性好、高穩(wěn)定性的光纖光柵解調(diào)儀將成為未來發(fā)展的趨勢。針對目前光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)監(jiān)測分析對于系統(tǒng)低成本、實時化、便攜化的要求，本文對基于DSP和ARM的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進行研究。

1 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)電學(xué)部分

1.1 A/D數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計及實現(xiàn)

1.1.1 A/D數(shù)據(jù)采集電路的硬件設(shè)計

由于本文所研究的基于嵌入式系統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)需要同時對可調(diào)諧F?P濾波器模塊輸出的標準信號與傳感器信號進行A/D采樣，因此在選用A/D芯片時首先需要考慮的是能夠進行多通道同步采樣。其次，由于原始信號變化較快，而A/D數(shù)據(jù)采集電路的精度對于系統(tǒng)整體的精度有著非常重要的影響，因此選擇的A/D芯片應(yīng)該具有較高的采樣速率與較高的分辨率。同時，考慮到原始信號的幅值范圍，在選擇A/D芯片時應(yīng)該確保輸入引腳的極性和電壓輸入范圍滿足系統(tǒng)要求。最終，選擇AD公司較新推出的AD7606芯片。

1.1.2 A/D數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計

對A/D數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計需要完成的功能是在DSP F2812芯片中用程序控制AD7606電路正常工作，并且能夠準確讀取A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。另外，還需要通過[Dout0]引腳向可調(diào)諧F?P濾波器模塊發(fā)送一個鋸齒波掃描起始信號。

軟件設(shè)計有以下兩個方面的選擇：

（1） 選擇AD7606的工作模式。為了便于程序控制，AD7606選擇CONVST轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取模式，由于電路中已將所有通道啟動轉(zhuǎn)換信號引腳CONVST A，CONVST B連接到了一起。所以當程序發(fā)出CONVST指令后，BUSY工作忙信號將會被拉高。當經(jīng)過大約[tconv=]35 ms后，連接BUSY信號的引腳將檢測到一個下降沿信號。然后根據(jù)設(shè)定，經(jīng)過[t4]時間后，程序?qū)l(fā)出[CS]使能信號。

（2） 選擇AD7606與DSP的通信方式。由于電路設(shè)計時采用的是串行讀取模式，因此軟件設(shè)計中也要采取串行讀取模式。當程序發(fā)出[CS]使能信號后，AD7606將根據(jù)輸入的時鐘周期開始向DSP串行傳輸轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。由于AD7606是8通道同步采樣芯片，因此8個通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將以通道1、通道2、…、通道8的順序從DoutA口依次輸出。另外，F(xiàn)IRSTDATA引腳輸出的高電平信號表示DoutA引腳正在傳輸?shù)谝煌ǖ赖臄?shù)據(jù)。

考慮到DSP F2812需要同步接收來自AD7606多個通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，因此采用DSP F2812芯片內(nèi)部的多通道緩沖串行接口（McBSP）與AD7606的引腳進行連接。另外，配合DSP上GPIO的輸入輸出，就可以完成DSP和A/D間的通信任務(wù)。A/D數(shù)據(jù)采集電路軟件設(shè)計流程圖如圖1所示。

1.2 DSP TMS320F2812部分的設(shè)計

（1） DSP TMS320F2812軟件設(shè)計

DSP部分軟件設(shè)計流程為：初始化DSP系統(tǒng)各控制模塊、初始化通用I/O口、初始化PIE中斷向量表、初始化各外設(shè)模塊、初始化A/D采集模塊等。之后系統(tǒng)運行在循環(huán)模式，等待A/D的中斷響應(yīng)。當DSP接收到A/D數(shù)據(jù)采集的中斷響應(yīng)后，通過GPIO口向可調(diào)諧F?P濾波器模塊發(fā)送鋸齒波掃描起始信號。之后A/D模塊對可調(diào)諧F?P濾波器模塊輸入的多路模擬信號進行同步采樣，采樣完成后，DSP調(diào)用數(shù)據(jù)處理、尋峰算法、波長解調(diào)算法等進行波長數(shù)據(jù)解調(diào)。最后，將解調(diào)后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM芯片，中斷結(jié)束，清除中斷標志位，程序返回循環(huán)狀態(tài)。DSP部分軟件設(shè)計流程圖如圖2所示。

（2） 多通道緩沖串口實現(xiàn)DSP與A/D通信

DSP TMS320F2812芯片的多通道緩沖串口（McBSP）能夠和兼容McBSP的設(shè)備進行接口通信。采用McBSP方式還可以同步發(fā)送或接收8/16/32位等串行數(shù)據(jù)。McBSP通過數(shù)據(jù)發(fā)送引腳（DX）/接收引腳（DR）和其他兼容的設(shè)備進行通信，通常采用下列信號進行控制：McBSP的時鐘和幀同步：CLKX（發(fā)送時鐘）、CLKR（接收時鐘）、FSX（發(fā)送幀同步）、FSR（接收幀同步）。

軟件設(shè)計方面，首先需要配置McBSP寄存器的值。主要包括以下內(nèi)容：McBSP工作在FIFO接收中斷模式，接收單相位幀，接收字長為16位，內(nèi)部時鐘模式等。軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

通過軟硬件兩方面的設(shè)計，就能夠讓DSP F2812接收到AD7606轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

（3） 利用串行通信接口實現(xiàn)DSP與ARM通信

由于系統(tǒng)需要將DSP采集并解調(diào)后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM芯片，并且ARM電路與DSP電路均具有串行通信接口，因此選擇了既穩(wěn)定又可靠的SCI串口通信方式進行兩者間的通信。對于TMS320F2812芯片中SCI串行通信接口的軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。基本步驟與McBSP程序設(shè)計思路一致。值得一提的是，當系統(tǒng)進行SCI初始化時，需要對SCI控制寄存器進行配置，以設(shè)定串口的工作模式。

1.3 ARM S3C2410部分的設(shè)計

（1） ARM S3C2410軟件設(shè)計

系統(tǒng)中ARM部分的主要功能是將解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行液晶屏顯示，并且設(shè)有網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口，以便與外設(shè)通信使用。ARM部分軟件設(shè)計流程為：初始化ARM系統(tǒng)各控制模塊，初始化通用I/O口、初始化以太網(wǎng)口。程序運行在循環(huán)狀態(tài)，等待串口接收來自DSP的傳輸數(shù)據(jù)。對于接收到的數(shù)據(jù)，ARM芯片在液晶屏上進行顯示輸出，以此作為系統(tǒng)的用戶界面。在此之后，ARM清除串口通信中斷標志位，程序返回循環(huán)狀態(tài)。ARM部分軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

（2） ARM S3C2410利用DMA方式實現(xiàn)ARM與DSP通信

ARM在利用DMA方式與DSP進行通信前，需要對DMA相關(guān)寄存器進行配置，其中包括數(shù)據(jù)源地址初始化，傳輸目標地址初始化，設(shè)定數(shù)據(jù)源地址增長方式，設(shè)定傳輸目標地址增長方式，設(shè)定請求模式，同步模式，選擇傳輸單位大小，傳輸數(shù)據(jù)大小等。對系統(tǒng)進行初始化以及對DMA寄存器進行初始化等操作之后，ARM芯片可以同DSP芯片進行串口DMA方式通信。

1.4 信號解調(diào)算法的軟件實現(xiàn)

在用Matlab 7.0對信號解調(diào)算法進行仿真實驗之后，還需要對其在實際的嵌入式系統(tǒng)軟件中進行實現(xiàn)?？紤]到DSP開發(fā)板的存儲器大小及指令的復(fù)雜程度，因此系統(tǒng)選用極值定位法進行尋峰，解調(diào)時使用二次多項式擬合。解調(diào)算法軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

2 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)測試

2.1 系統(tǒng)整體搭建

系統(tǒng)的光學(xué)部分及電學(xué)部分調(diào)試好以后，將系統(tǒng)各組成部分連接在一起進行系統(tǒng)整體搭建。系統(tǒng)搭建時確認各電氣連接正確，特別是確認可調(diào)諧F?P濾波器模塊模擬信號輸出符合電學(xué)部分A/D數(shù)據(jù)采集電路電壓的輸入范圍。

2.2 光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)測試

對于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)還沒有一套十分成熟的標定方法，因此將本系統(tǒng)與目前比較完善的光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀進行對比實驗的方法來對本系統(tǒng)進行測試。由于整個光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)由光纖光柵傳感器與光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，因此對于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的測試需要排除光纖光柵傳感器本身精度問題的影響。在本文中，采用如下的實驗方法進行解調(diào)系統(tǒng)測試。

在盛有一定容積純凈水的容器內(nèi)，放入一個Pt100鉑電阻電學(xué)溫度傳感器，同時放入一只光纖光柵溫度傳感器，讓兩種類別的傳感器同時測量容器內(nèi)的水溫變化?？偣策M行兩組實驗：

第一組實驗：將光纖光柵溫度傳感器接入光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀，將Pt100鉑電阻溫度傳感器接入電學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過改變水溫，分別記錄下兩類傳感器的讀數(shù)。

第二組實驗：將光纖光柵溫度傳感器接入本文研究的基于嵌入式的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，Pt100鉑電阻溫度傳感器則接入與第一組實驗中相同的電學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過改變水溫，再分別記錄下兩類傳感器的讀數(shù)。

由于鉑電阻溫度傳感器的電學(xué)檢測系統(tǒng)相對精確，同時光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀也十分完善，因此在第一組實驗中兩類傳感器測得數(shù)據(jù)的相對誤差，主要來自電學(xué)傳感器與光學(xué)傳感器本身的差別。在第二組實驗中，基于嵌入式系統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)與鉑電阻溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)，與第一組實驗中的數(shù)據(jù)進行對比，即可分析出本文研究的基于嵌入式光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)本身存在的誤差。

（1） 第一組實驗概述

電學(xué)溫度傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：Pt100鉑電阻溫度傳感器，穩(wěn)壓電源，A/D數(shù)據(jù)采集卡，計算機。實驗時，向水缸內(nèi)緩慢均勻地加入溫水，水溫從36 ℃左右迅速上升，此時鉑電阻的阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過高精度的A/D數(shù)據(jù)采集卡測得鉑電阻兩端電壓值，再根據(jù)計算公式計算出當前的水溫，并在計算機上顯示輸出。而光纖光柵溫度傳感器本身不需要電源輸入，將其放置在水缸中，該傳感器將光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀內(nèi)部光源發(fā)出的光反射回去，反射光的中心波長[λ]與被測水溫[T]滿足以下關(guān)系式：

[T=k（λ-λ0）+T0] （1）

在該實驗中，溫度傳感器系數(shù)為[k，]初始中心波長為[λ0，]初始溫度值[T0]分別為：[k=97.087，λ0=1 556.160 nm，][T0=36.0 ℃。]當水溫上升時，反射光的中心波長[λ]發(fā)生變化，這樣根據(jù)反射光的波長就能計算出被測水溫。

（2） 第二組實驗概述

Pt100鉑電阻溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器，與第一組實驗時完全一致，不同的是光纖光柵溫度傳感器不再接入光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀，而是接入本文研究的基于嵌入式的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。由于本組實驗中的初始溫度與實驗一不完全一致，因此對于式（1）中的系數(shù)需要稍作修正：[k=97.087， λ0=1 556.121 nm， ][T0=36.7 ℃，]選取在水溫變化過程中，鉑電阻溫度傳感器測得的溫度相同的點，對比分析本文研究的基于嵌入式的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的測量值與光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀的測量值，如表1所示。

由表1可以得出，基于嵌入式的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的測量值與光纖光柵傳感系統(tǒng)分析儀的測量值之間的相對誤差在±3%以內(nèi)，符合設(shè)計要求。對于減小系統(tǒng)誤差的方案，主要是進一步提高系統(tǒng)內(nèi)A/D數(shù)據(jù)采集電路的實際精度，以及完善與優(yōu)化系統(tǒng)所使用的尋峰解調(diào)算法。綜上所述，通過該對比試驗，基本驗證了解調(diào)系統(tǒng)所使用算法的正確性，系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)的基本功能得以實現(xiàn)。

3 結(jié) 論

本文對基于嵌入式系統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)進行了研究?；谇度胧较到y(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)具有便攜性好，系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點，有效地降低了系統(tǒng)的成本，縮小了系統(tǒng)的體積。本文完成了對A/D數(shù)據(jù)采集電路的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了對DSP，ARM系統(tǒng)的軟件設(shè)計，同時，對信號解調(diào)算法的軟件實現(xiàn)進行了研究，將系統(tǒng)光學(xué)部分和電學(xué)部分組合起來，搭建了基于嵌入式系統(tǒng)的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)測試，基本達到了預(yù)期目標。

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