采用雙CPU的單片機實現(xiàn)光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)的設計

光纖光柵傳感器的應用是一個方興未艾的領域，有著非常廣闊的發(fā)展前景。目前限制光纖光柵傳感器大量實際應用的最主要障礙就是傳感信號的解調(diào)。光纖光柵傳感解調(diào)方法有許多，但是能夠實際應用的解調(diào)產(chǎn)品并不多，而且價格昂貴。因此研究開發(fā)適于實際工程應用的解調(diào)系統(tǒng)，降低解調(diào)系統(tǒng)的成本，是使光纖光柵傳感器能夠在實際工程應用中得到推廣的關鍵問題。

有鑒于此，為了滿足工程應用的需要，本文提出了一種基于單片機的光纖光柵解調(diào)技術，即利用目前應用極為廣泛，價格比較便宜的單片機作為信號采集和處理的MCU，開發(fā)一種較高精度的、廉價的、便攜的、能進行快速測量且能方便獲取所測參變量大小的解調(diào)器。為了解決了單個單片機速度較慢的問題，系統(tǒng)中采用雙CPU，其中一個單片機完成信號解調(diào)的算法，而另一個單片機完成邏輯控制，人機接口和與上位機的通信，通過雙口RAM實現(xiàn)雙機數(shù)據(jù)共享。

1、解調(diào)系統(tǒng)結構和原理

解調(diào)系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。主要由三部分組成，Bragg光柵（測量光柵），光纖光柵解調(diào)器，計算機。其中光纖光柵解調(diào)器可以細分為2個部分，模擬電路部分和數(shù)字電路部分，模擬電路部分的功能是把Bragg光柵（測量光柵）受到的應變或者溫度變化變成相應的電信號，數(shù)字部分把電信號轉換成上位機能直接使用的數(shù)字信號，可以是波長值也可以是溫度或者應變值，而實現(xiàn)這個功能的MCU采用的就是單片機。

解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)原理是基于可調(diào)諧法布里－珀羅腔（F-P解調(diào)）的工作原理。用于Bragg光柵傳感信號解調(diào)的光纖F-P腔濾波器實際上是一個壓控的光帶通濾波器，通常用壓電陶瓷作為F-P 腔腔長變化的驅動元件。給壓電陶瓷施加一個掃描電壓， 壓電陶瓷產(chǎn)生伸縮， 從而改變F-P 腔的腔長， 使透過F-P腔的光的波長發(fā)生改變。通過探測器檢測透射光強度，當探測器探測到最大光強時給壓電陶瓷施加的電壓就對應著FBG 的反射波長。這樣給Bragg光纖光柵傳感器注入光信號，將從FBG 傳感器反射回來的光加到光纖F-P腔濾波器的輸入端，通過給光纖F-P腔濾波器的壓控端加上一個三角形的掃描電壓，則在光纖F-P腔濾波器的輸出端即可得到一個與輸入光光譜相對應的時間域電信號。這些時域信號經(jīng)過放大電路和比較電路的整形，就得到了一系列的脈沖信號，我們在這些脈沖信號中加入一些固定波長和位置的標準脈沖信號，那么這些脈沖信號中的各個脈沖對于標準脈沖的相對位置就包含了FBG傳感器反射光的光譜信息。圖2指示了這個解調(diào)過程。最后再通過單片機構成的電路把得到的脈沖轉換成波長值。

2、單片機解調(diào)系統(tǒng)的構成和工作方法

單片機解調(diào)系統(tǒng)的首要目的就是把這些脈沖信號處理成相對應的波長值。通過模擬部分的解調(diào)我們得到包含測量光柵和標準光柵在掃描周期內(nèi)相對位置的脈沖信號，標準光柵對應一個固定的波長，而且它對應的脈沖信號在每個掃描周期內(nèi)的位置又是固定的（標準光柵用恒溫電路來保持波長恒定），那么如果能得到各個脈沖信號的相對位置值，再通過插值的算法可以得測量光柵的波長值。

圖2 布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)過程

在本解調(diào)系統(tǒng)中采用的是武漢理工光科股份有限公司生產(chǎn)的光纖光柵作為測量光柵，基于F-P腔原理的波長選擇器作為解調(diào)腔，測量的范圍能夠達到30nm，三角波掃描信號的周期為1s，測量的頻率1Hz。把三角波掃描信號的上升沿分成能夠達到設計精度的有限多個計數(shù)點，這樣就可以用單片機讀出FBG1、FBG2、…。.FBGn光柵陣列及標準光柵脈沖信號在三角波上升沿中的位置值了。另一個單片機的功能就是利用這些值算出波長，并與計算機進行數(shù)據(jù)通訊。電路圖如圖所示。這里單片機選用是89C52，用4060產(chǎn)生一個穩(wěn)定的計數(shù)脈沖，當三角波開始時1號單片機計數(shù)，有脈沖到來時，記下計數(shù)器的值并存入片內(nèi)RAM；三角波到最高點時計數(shù)器清零，把位置值送入雙口RAM，然后等待下一次計數(shù)。CPU1開始計數(shù)時CPU2把數(shù)據(jù)從雙口RAM中取出，通過插值或其他的算法計算出脈沖對應的波長值或者溫度值并與計算機通訊。

我們可以通過單片機的其它的I/O口同時輸入更多的測量脈沖。改進光路和模擬電路部分，就可以制作2通道、4通道的光纖光柵解調(diào)儀，提供更多的測量點，而數(shù)字電路完全不需改動，只需對軟件部分進行調(diào)整即可。

3、系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)處理

單片機要完整正確的記下每個脈沖，那么它的計數(shù)、傳送指令要在每個脈沖的脈寬內(nèi)完成，如果脈沖寬度只有1個計數(shù)單位，即計數(shù)、傳送指令需要在約為10微秒的時間內(nèi)完成，AMTEL的89C52最高工作頻率能達到24MHz， 這時其時鐘周期為0.5微秒，那么只要計數(shù)、傳送的指令周期不超過20個時鐘周期，就能達到要求，合理的讀寫程序顯然是能夠滿足這個要求的。而通常脈沖的寬度一般遠大于1個計數(shù)單位，所以脈沖的變化是能夠實時記錄的。同時2號單片機有1s的時間把數(shù)據(jù)從RAM取出，算出脈沖的中值，然后進行插值計算，時間也是足夠的。如果算法過于復雜，例如采用拉格朗日算法等等，也可以把位置值傳送給計算機進行數(shù)據(jù)處理。

把數(shù)據(jù)從單片機傳送給計算機的過程中數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)錯誤，通訊程序中必須加入糾錯處理，可以采用奇偶校驗的方法，例如單字節(jié)校驗或者多個字節(jié)校驗等等。同時為了防止光柵位置值的偶爾突變，有必要對位置值進行平滑處理。通過以上的處理方法，計算機能夠得到一組正確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為了減小F-P腔的漂移及系統(tǒng)非線性對位置值的影響，我們采用標準光柵來與測量光柵進行比較計算，可以采用線性算法進行計算。但是在實際的運用中，發(fā)現(xiàn)待測光柵離標準光柵較近時，測量值越準確；較遠處則誤差相對較大。為了進一步提高精度，可以采用2標準、5標準或者梳狀濾波器來進行分段線性插值計算，這樣就能大大提高測量的精度，當然也可以采用拉格朗日算法或者多次項公式等更復雜的方法來進行波長計算。在我們的儀表中采用的是5標準光柵的拉格朗日算法來計算波長，溫度的測量精度能達到±1℃。

4、結束語

脈沖的相對位置值與波長的關系目前無法由理論知識推導得到， 但是可以通過實驗， 用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出變化規(guī)律從而找出它們之間的對應關系。 利用此對應關系， 在單片機中進行有關數(shù)據(jù)處理， 從而得到所測溫度或應力的大小。目前我們采用拉格朗日算法，并使用一些合適的數(shù)據(jù)處理和標定的方法，就目前解調(diào)儀的工作情況來看，效果還是可以的，測量精度能夠達到±5pm，重復性最大誤差為8pm。為了提高解調(diào)儀的工作頻率，提高解調(diào)儀的適用性，也可以采用基于DSP或者DSP＋ARM的解調(diào)電路，但成本相對就要高些。

FBG 光柵有廣闊的應用前景， 在通信、建筑、機械、醫(yī)療、航天、航海、礦業(yè)都能發(fā)揮重要作用，有關于FBG 光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就。采用合適的解調(diào)技術，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動光纖光柵傳感器在實際工程中得到廣泛的應用。

本文作者創(chuàng)新點： 基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀是一種適于實際工程應用的解調(diào)系統(tǒng)，大幅降低光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本，便于在工業(yè)現(xiàn)場的使用，使得光纖光柵傳感器能夠在實際工程應用中得到迅速的推廣。

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