基于S3C44B0的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統(tǒng)

1   引言 

     布拉格光纖光柵是一種利用準(zhǔn)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(zhì)，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(jié)構(gòu)相關(guān)。由于光纖的變形直接影響其內(nèi)部布拉格光柵的結(jié)構(gòu)，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(zhì)設(shè)計的各種物理量傳感器，如應(yīng)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(zhì)，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(wěn)定、抗電磁干擾和惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、與電隔離安全級別高等系列優(yōu)點(diǎn)，受到工程應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的關(guān)注，特別是如大型結(jié)構(gòu)永久性變形和強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)、油氣等易燃易爆高危環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測等，更是亟待具有這類特殊性質(zhì)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(diào)為電信號，再由電路系統(tǒng)進(jìn)行處理。因此，如何控制光纖法-柏分析器工作、準(zhǔn)確分析解調(diào)信號是布拉格光纖光柵傳感信號處理系統(tǒng)的基本問題。同時，常常作為特殊和重大應(yīng)用領(lǐng)域的監(jiān)測設(shè)備，對系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化等功能，也是系統(tǒng)設(shè)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[1]為硬件核心，uC/OS-II [2]嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了一套嵌入式的具有圖形化人機(jī)界面、Internet網(wǎng)絡(luò)接口、文件服務(wù)與數(shù)據(jù)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(tǒng)。

2   系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計 

     布拉格光纖光柵傳感器常常用在特殊和重要領(lǐng)域，作為布拉格光纖光柵傳感器信號處理系統(tǒng)，不僅要求能夠準(zhǔn)確可靠、高性能地完成傳感信號的解調(diào)工作，工程上還常常要求系統(tǒng)具有高標(biāo)準(zhǔn)的附加功能，如：Internet連接、USB接口、標(biāo)準(zhǔn)串行口、非易失性數(shù)據(jù)記錄、圖示化人機(jī)界面、便攜等，要達(dá)到這些要求，采用嵌入式微控器作為系統(tǒng)的控制核心是一種最佳選擇。

     系統(tǒng)的控制核心還須控制布拉格光纖光柵傳感信號的解調(diào)和對解調(diào)后信號的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)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(yīng)的時間域電信號。這個時域信號經(jīng)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(diào)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(shè)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(shè)計成將多個傳感器串連使用，這樣，每個信號解調(diào)器就可以同時完成對多個傳感器的解調(diào)工作。這也是布拉格光纖光柵傳感器的另一個優(yōu)點(diǎn)。

       圖1   布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)過程

    識別脈沖信號中各個脈沖所出現(xiàn)的相對時刻是對這個信號進(jìn)行處理的主要任務(wù)，對它的識別精度直接關(guān)系到系統(tǒng)測量精度和性能。按照工程上要求和現(xiàn)有光纖法-柏分析器性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)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(dá)到1/1500000秒，約為0.67uS?？紤]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(tǒng)時鐘周期為單位計時。因此，若采用S3C44B0微控器，系統(tǒng)時鐘頻率設(shè)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(tǒng)中，S3C44B0的中斷響應(yīng)時間為5~29個時鐘周期。執(zhí)行指令所需的固定時間和中斷響應(yīng)最短時間可以通過軟件予以消除，而可能產(chǎn)生不可預(yù)計的最大計時誤差Δt2為24個時鐘周期，即Δt2=24/64 us。設(shè)：

        ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us                   (1) 

     則通過軟件設(shè)計，可以使系統(tǒng)總的計時誤差在±ΔT/2，即±0.2 uS 之內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(shè)計了一套布拉格光纖光柵傳感信號處理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示。

   圖2     系統(tǒng)的硬件原理圖

     系統(tǒng)對布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)時，先給出光纖法-柏分析器掃描的門控信號，再測量經(jīng)過處理的各個信號脈沖在門控時限內(nèi)所出現(xiàn)的相對時刻。設(shè)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(diào)參考基準(zhǔn)，tm1、tm2……tmn是n個不同波長傳感器所產(chǎn)生脈沖的時間，如圖3：

          圖3   解調(diào)信號波形

     則各傳感器所產(chǎn)生脈沖在門控時限內(nèi)所出現(xiàn)的相對時刻，可由下列計算公式?jīng)Q定： 
    
     設(shè)    是已知的三組數(shù)據(jù)，則對任意的輸入有：

            圖4   標(biāo)定關(guān)系

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計 

     本系統(tǒng)采用uC/OS-II作為操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度和任務(wù)間通信。系統(tǒng)一共設(shè)有4個任務(wù)：測試任務(wù)、界面交互任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)任務(wù)。測量任務(wù)在就緒狀態(tài)下被測量中斷喚醒。同時該任務(wù)還可以和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)任務(wù)和界面交互任務(wù)通信，接受用戶的參數(shù)更改。界面任務(wù)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(jù)輸入對系統(tǒng)工作參數(shù)、顯示方式等做出相應(yīng)調(diào)整，或?qū)⒅噶顐鬟f給測量任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和套接字服務(wù)，它負(fù)責(zé)高層軟件的網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時針對解調(diào)儀的遠(yuǎn)程操作設(shè)計的一個服務(wù)進(jìn)程。它負(fù)責(zé)處理用戶從網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的請求并做出響應(yīng)。各任務(wù)之間關(guān)系如圖5所示。

    4個任務(wù)的優(yōu)先級安排從高到低為：測量任務(wù)——界面任務(wù)——網(wǎng)絡(luò)任務(wù)——網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。uC/OS-II采用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調(diào)度方式，所以，其余任務(wù)不會影響到測量任務(wù)的實時性。

       圖5   各任務(wù)間關(guān)系圖

    系統(tǒng)針對測量數(shù)據(jù)實時記錄的要求，設(shè)計了一個文件服務(wù)系統(tǒng)。文件的存儲

介質(zhì)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(tǒng)格式相一致，所以本系統(tǒng)采用FAT文件系統(tǒng)。系統(tǒng)在uC/OS-II上移植了lw/IP[]，實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議。并提供了一個服務(wù)進(jìn)程，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控解調(diào)儀的狀態(tài)、下載數(shù)據(jù)文件等。

     系統(tǒng)的界面任務(wù)設(shè)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(huán)境。在LCD屏幕區(qū)設(shè)計有系統(tǒng)操作功能菜單，以及顯示測量數(shù)據(jù)變化曲線的圖形區(qū)。軟件設(shè)計使得用戶可通過4個按鍵、LCD上的功能菜單完成與系統(tǒng)的交互操作。與界面任務(wù)設(shè)計相關(guān)的信息也同時以文本格式輸出到串口終端。

4 系統(tǒng)實現(xiàn) 

     實驗原型系統(tǒng)如圖6。系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)下載；
5）支持USB數(shù)據(jù)下載；
6）文件系統(tǒng)容量：32/64MB。

         圖6   實驗原型系統(tǒng)

5   結(jié)論 

     本文實現(xiàn)的系統(tǒng)代替目前布拉格光纖光柵解調(diào)較多使用的“上位PC機(jī)+下位單片機(jī)”模式有了較大進(jìn)步，該系統(tǒng)能夠較好發(fā)揮布拉格光纖光柵傳感器的性能和優(yōu)點(diǎn)，功能也符合大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域所提出的要求。原型系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場實驗證明，測量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行穩(wěn)定。

     系統(tǒng)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(jìn)一步提高系統(tǒng)測量分辨率和準(zhǔn)確性，則對信號的處理方法需要改進(jìn)。50次/s的測量速度和1/30000分辨率也達(dá)到了S3C44B0微控制器直接處理的最大限度。

參考文獻(xiàn)

[1]   S3C44B0X RISC MICROPROCESSOR.Samsung Electronics.2001
[2]   Jean J. Labrosse.邵貝貝譯.uCOS-II－源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng).北京.中國電力出版社. 2001
[3]   http://www.sics.se/~adam/lwip/