李永倩，李曉菲，張 靜

(1.華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123)

光纖光柵（FBG）傳感器具有抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本等優(yōu)點(diǎn)[1]，已在土木工程、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域廣泛用于應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量[2-3]。FBG傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型器件，外界物理量的變化會(huì)影響FBG的中心波長(zhǎng)值。因此，精確解調(diào)FBG波長(zhǎng)的變化量是FBG傳感的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

FBG解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)精度取決于FBG信號(hào)的采集精度和波長(zhǎng)解調(diào)算法的高效性[4]。目前，應(yīng)用最多的是利用數(shù)據(jù)采集卡采集FBG信號(hào),利用工控機(jī)處理FBG信號(hào)，導(dǎo)致解調(diào)系統(tǒng)體積和功耗大、成本高，不利于實(shí)現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化、低功耗和低成本。本文將數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了用于小型FBG解調(diào)儀的數(shù)據(jù)采集電路，完成了軟硬件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了FBG傳感信號(hào)的有效采集。

1 采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 性能分析

FBG傳感系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。在F-P濾波器控制器的作用下通過可調(diào)諧F-P濾波器[5]，經(jīng)過3 dB耦合器，將寬帶光源中不同頻帶的光波周期性地分成兩個(gè)支路。其中一路入射到參考通道，這一部分的作用是用來對(duì)可調(diào)諧F-P濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)，消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長(zhǎng)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響[6]；另一路入射到FBG傳感通道中，F(xiàn)BG傳感通道中所有光纖布拉格光柵的反射譜必須在F-P濾波器的掃描范圍內(nèi),并且各個(gè)布拉格光柵的反射譜不能重疊，否則會(huì)引起信號(hào)串?dāng)_。在每個(gè)通道中,當(dāng)F-P濾波器掃描波長(zhǎng)與FBG反射波長(zhǎng)一致時(shí),光電檢測(cè)組件探測(cè)到的光能量最大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步采集兩路光電檢測(cè)器輸出的電壓信號(hào)，并將采集后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),然后根據(jù)電壓峰值坐標(biāo)與Bragg波長(zhǎng)的關(guān)系得到反射波長(zhǎng)的值,從而達(dá)到傳感信號(hào)解調(diào)的目的。

本傳感系統(tǒng)選用的可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）濾波器的掃描頻率設(shè)為10 Hz,寬帶光源的光譜寬度為78.2 nm，當(dāng)波長(zhǎng)分辨率達(dá)到4.9 pm時(shí),每通道一個(gè)采樣周期內(nèi)采集16 000個(gè)點(diǎn)，要求采集系統(tǒng)單通道的采樣率達(dá)到160 kS/s以上，并且可以多通道同步采樣。若數(shù)據(jù)采用16 bit記錄格式，也就是每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量為 2 B，則一個(gè)掃描周期內(nèi)單通道數(shù)據(jù)量為32 KB，2通道總數(shù)據(jù)量為 64 KB。

1.2 器件選型

DSP能夠快速實(shí)現(xiàn)各種算法,運(yùn)算精度高[7]；CPLD具有內(nèi)部延時(shí)小、速度快、全部邏輯由硬件完成等優(yōu)點(diǎn)，接口靈活，被廣泛用于各種時(shí)序和邏輯控制電路；由DSP和CPLD組成的最小系統(tǒng)能夠滿足FBG解調(diào)系統(tǒng)小型化和低功耗的要求[8]。本系統(tǒng)以DSP+CPLD的硬件結(jié)構(gòu)為開發(fā)平臺(tái)，DSP選用TMS320F2812(以下簡(jiǎn)稱DSP)芯片作為核心處理器[9]，其最大工作頻率可達(dá)到150 MHz；CPLD 采用 EPM240T100C5N(以 下簡(jiǎn) 稱 CPLD)芯片做邏輯控制元件。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國(guó)TI公司的ADS8556，它是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器,包括 6個(gè) 16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）；3個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)分別控制每2個(gè)通道的轉(zhuǎn)換，并且可以2/4/6通道同步采樣[10]；其內(nèi)部參考電壓可取2.5 V或3.0 V，最大輸入電壓范圍可以達(dá)到±12 V；ADS8556可采用并行或串行接口模式，其中，并行接口模式下單通道采樣速率可達(dá)到630 kS/s。由于實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)量比較大，因此采用外部存儲(chǔ)芯片IS61LV25616(以下簡(jiǎn)稱SRAM)對(duì)DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間進(jìn)行擴(kuò)展，其容量為256 K×16 bit。

2 采集硬件電路

光電檢測(cè)器將兩路光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，由于信號(hào)強(qiáng)度較弱，信號(hào)中包含大量噪聲。首先要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，然后送入A/D進(jìn)行采集。采集系統(tǒng)的主要硬件電路如圖2所示。

圖2 采集系統(tǒng)的主要硬件電路

將 DSP的地址線 A0、A1和/CS0分別連接至 CPLD的I/O口上。DSP對(duì)/CS0對(duì)應(yīng)的區(qū)域地址進(jìn)行讀操作時(shí)，相應(yīng)片選端和讀信號(hào)被置為低電平，地址線上出現(xiàn)所要讀取的地址。CPLD對(duì)片選信號(hào)/CS0和地址線A0、A1進(jìn)行地址譯碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D的控制。ADS8556的片選信號(hào)/CS、復(fù)位信號(hào)/RST分別連接到CPLD的I/O口上，通道組A的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)CONV_A連接到CPLD的I/O口上，用來啟動(dòng)CH1和CH2通道的同步轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間，CONV_A保持高電平，BUSY信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間為高電平，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY信號(hào)返回低電平，將DSP的外部中斷INT1通過CPLD連接至BUSY信號(hào)，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADS8556向DSP申請(qǐng)中斷去讀取數(shù)據(jù)。ADS8556的16位數(shù)據(jù)線與DSP的16位數(shù)據(jù)總線直接相連；DSP的讀信號(hào)/RD通過CPLD與ADS8556的讀信號(hào)/RD相連接，讀取A/D數(shù)據(jù)時(shí)，片選信號(hào)/CS先置低，讀信號(hào)/RD每變低一次，DSP從16位總線上讀取1個(gè)通道的數(shù)據(jù)，需要讀取2次將2通道數(shù)據(jù)讀走。

3 采集控制軟件

DSP通過對(duì)不同地址的讀取來向CPLD發(fā)送指令，CPLD通過片選端和地址線譯碼來執(zhí)行相應(yīng)的功能。DSP的軟件流程圖如圖3所示，采用C語言編寫。

圖3 DSP軟件流程圖

首先，對(duì)變量以及相應(yīng)寄存器進(jìn)行初始化，將2個(gè)通道存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的數(shù)組定義在SRAM對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的要求。本系統(tǒng)每個(gè)通道采樣率設(shè)為 160 kS/s，采樣周期為 0.1s，即每 6.25 μs保證采樣一次。采集控制的主要流程是：DSP發(fā)送啟動(dòng)轉(zhuǎn)換指令后，CPLD啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)周期為6.25 μs的定時(shí)器，每次定時(shí)器時(shí)間到，向CONV_A端提供高電平轉(zhuǎn)換信號(hào)，啟動(dòng)一次A/D轉(zhuǎn)換，2通道的模擬信號(hào)同時(shí)開始轉(zhuǎn)換,ADS8556的轉(zhuǎn)換時(shí)間是1.26 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)變低電平產(chǎn)生中斷，DSP進(jìn)入中斷子程序讀取數(shù)據(jù)。CPLD根據(jù)DSP的讀數(shù)據(jù)指令控制A/D的片選信號(hào)，結(jié)合讀信號(hào)低電平讀取2次轉(zhuǎn)換結(jié)果，存放在對(duì)應(yīng)的數(shù)組中，采樣點(diǎn)數(shù)加1，退出中斷，等待下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，再次讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取完16 000次數(shù)據(jù)之后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。將數(shù)據(jù)傳輸完之后，將存放數(shù)據(jù)的數(shù)組清零，再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，完成下一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。

CPLD采用Verilog語言編寫內(nèi)部時(shí)序和邏輯電路，時(shí)序電路主要根據(jù)DSP發(fā)送來的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令，產(chǎn)生16 000個(gè)周期為 6.25 μs的轉(zhuǎn)換信號(hào) CONV_A，其高電平保持2 μs，保證每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。在16 000次轉(zhuǎn)換結(jié)束后停止采集，等待DSP的下次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換指令的到來；邏輯電路主要完成內(nèi)部管腳之間的連接以及根據(jù)地址譯碼來完成對(duì)ADS8556的片選信號(hào)和讀信號(hào)控制。

4 數(shù)據(jù)采集性能測(cè)試

4.1 采集準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本系統(tǒng)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，完成電路軟硬件調(diào)試之后，將FBG傳感系統(tǒng)與采集電路連接起來，F(xiàn)BG傳感通道輸出信號(hào)接入采集電路的CH1。

在實(shí)驗(yàn)中，加在F-P濾波器上的掃描電壓范圍為0～18 V，調(diào)諧電壓掃描頻率為10 Hz。當(dāng)在傳感通道中串聯(lián)3個(gè)FBG傳感器時(shí)，由示波器觀測(cè)到的F-P掃描電壓和光電檢測(cè)器輸出信號(hào)的原始波形如圖4所示。

為了觀察采集到的一個(gè)周期的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)只采集一個(gè)周期，即0.1 s的數(shù)據(jù)，存放在一個(gè)長(zhǎng)度為16 000的數(shù)組中。在CCS3.3環(huán)境下運(yùn)行采集程序，用Graph單通道模式來顯示數(shù)組中的數(shù)據(jù)，CH1通道中的數(shù)據(jù)波形如圖5所示。

當(dāng)加在F-P濾波器上的掃描電壓為三角波時(shí)，對(duì)應(yīng)掃描正程和返程兩個(gè)周期的光柵信號(hào)，由示波器觀測(cè)到的三角波掃描電壓和傳感通道1的原始波形如圖6所示。運(yùn)行程序時(shí)，相應(yīng)地采集兩個(gè)周期的數(shù)據(jù)，存放在長(zhǎng)度為32 000的數(shù)組中，得到的數(shù)據(jù)波形如圖7所示。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集信號(hào)，采集結(jié)果無失真。

4.2 同步采集的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試采集系統(tǒng)CH1和CH2通道是否實(shí)現(xiàn)了同步采集，在FBG傳感通道串聯(lián)3個(gè)光柵，輸出的信號(hào)同時(shí)接到采集電路的CH1和CH2，采集一個(gè)周期0.1 s的光電信號(hào)，圖8所示為在CCS3.3環(huán)境下用Graph雙通道模式顯示的2通道的數(shù)據(jù)波形。

由圖可知，本系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)2通道數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)ADS8556的特點(diǎn)，還可以擴(kuò)展為多個(gè)傳感通道的采集系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用于解調(diào)FBG傳感信號(hào)的數(shù)據(jù)采集的硬件電路，編寫了采集控制程序，完成了軟硬件調(diào)試；將采集系統(tǒng)與FBG傳感系統(tǒng)連接起來進(jìn)行了性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集光電信號(hào)，滿足FBG解調(diào)儀波長(zhǎng)分辨率、采集速度的要求。本系統(tǒng)可以擴(kuò)展多個(gè)光柵傳感通道,完成多通道的同步采集；還可以在DSP中編寫波長(zhǎng)解調(diào)算法，減輕上位機(jī)的工作量，最終實(shí)現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化。

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