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        小型FBG解調(diào)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)*

        2012-08-13 08:13:18李永倩李曉菲
        電子技術(shù)應(yīng)用 2012年12期
        關(guān)鍵詞:光柵傳感波長

        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[1],已在土木工程、航空航天、機械制造等領(lǐng)域廣泛用于應(yīng)變、溫度、振動等參數(shù)的測量[2-3]。FBG傳感器是一種波長調(diào)制型器件,外界物理量的變化會影響FBG的中心波長值。因此,精確解調(diào)FBG波長的變化量是FBG傳感的一項關(guān)鍵技術(shù)。

        FBG解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)精度取決于FBG信號的采集精度和波長解調(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,利用工控機處理FBG信號,導(dǎo)致解調(diào)系統(tǒng)體積和功耗大、成本高,不利于實現(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,實現(xiàn)了FBG傳感信號的有效采集。

        1 采集系統(tǒng)整體設(shè)計

        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支路。其中一路入射到參考通道,這一部分的作用是用來對可調(diào)諧F-P濾波器進行校準(zhǔn),消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長漂移對測量精度的影響[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),并且各個布拉格光柵的反射譜不能重疊,否則會引起信號串?dāng)_。在每個通道中,當(dāng)F-P濾波器掃描波長與FBG反射波長一致時,光電檢測組件探測到的光能量最大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)同步采集兩路光電檢測器輸出的電壓信號,并將采集后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機,然后根據(jù)電壓峰值坐標(biāo)與Bragg波長的關(guān)系得到反射波長的值,從而達到傳感信號解調(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)波長分辨率達到4.9 pm時,每通道一個采樣周期內(nèi)采集16 000個點,要求采集系統(tǒng)單通道的采樣率達到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,也就是每個點數(shù)據(jù)量為 2 B,則一個掃描周期內(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能夠快速實現(xiàn)各種算法,運算精度高[7];CPLD具有內(nèi)部延時小、速度快、全部邏輯由硬件完成等優(yōu)點,接口靈活,被廣泛用于各種時序和邏輯控制電路;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,DSP選用TMS320F2812(以下簡稱DSP)芯片作為核心處理器[9],其最大工作頻率可達到150 MHz;CPLD 采用 EPM240T100C5N(以 下簡 稱 CPLD)芯片做邏輯控制元件。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國TI公司的ADS8556,它是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器,包括 6個 16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs);3個獨立的轉(zhuǎn)換啟動信號分別控制每2個通道的轉(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到630 kS/s。由于實時采集的數(shù)據(jù)量比較大,因此采用外部存儲芯片IS61LV25616(以下簡稱SRAM)對DSP的數(shù)據(jù)存儲空間進行擴展,其容量為256 K×16 bit。

        2 采集硬件電路

        光電檢測器將兩路光柵信號轉(zhuǎn)換成電信號后,由于信號強度較弱,信號中包含大量噪聲。首先要對電信號進行放大、濾波處理,然后送入A/D進行采集。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/CS0對應(yīng)的區(qū)域地址進行讀操作時,相應(yīng)片選端和讀信號被置為低電平,地址線上出現(xiàn)所要讀取的地址。CPLD對片選信號/CS0和地址線A0、A1進行地址譯碼,實現(xiàn)對A/D的控制。ADS8556的片選信號/CS、復(fù)位信號/RST分別連接到CPLD的I/O口上,通道組A的啟動轉(zhuǎn)換信號CONV_A連接到CPLD的I/O口上,用來啟動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信號在轉(zhuǎn)換期間為高電平,一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY信號返回低電平,將DSP的外部中斷INT1通過CPLD連接至BUSY信號,每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,ADS8556向DSP申請中斷去讀取數(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/RD通過CPLD與ADS8556的讀信號/RD相連接,讀取A/D數(shù)據(jù)時,片選信號/CS先置低,讀信號/RD每變低一次,DSP從16位總線上讀取1個通道的數(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,對變量以及相應(yīng)寄存器進行初始化,將2個通道存儲采集數(shù)據(jù)的數(shù)組定義在SRAM對應(yīng)的存儲空間,以滿足數(shù)據(jù)存儲容量的要求。本系統(tǒng)每個通道采樣率設(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)送啟動轉(zhuǎn)換指令后,CPLD啟動A/D轉(zhuǎn)換,在其內(nèi)部產(chǎn)生一個周期為6.25 μs的定時器,每次定時器時間到,向CONV_A端提供高電平轉(zhuǎn)換信號,啟動一次A/D轉(zhuǎn)換,2通道的模擬信號同時開始轉(zhuǎn)換,ADS8556的轉(zhuǎn)換時間是1.26 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,BUSY信號變低電平產(chǎn)生中斷,DSP進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,結(jié)合讀信號低電平讀取2次轉(zhuǎn)換結(jié)果,存放在對應(yīng)的數(shù)組中,采樣點數(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,再次啟動轉(zhuǎn)換,完成下一個周期的數(shù)據(jù)采集與存儲。

        CPLD采用Verilog語言編寫內(nèi)部時序和邏輯電路,時序電路主要根據(jù)DSP發(fā)送來的啟動轉(zhuǎn)換命令,產(chǎn)生16 000個周期為 6.25 μs的轉(zhuǎn)換信號 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ADS8556的片選信號和讀信號控制。

        4 數(shù)據(jù)采集性能測試

        4.1 采集準(zhǔn)確性的實驗測試

        為了測試本系統(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傳感通道輸出信號接入采集電路的CH1。

        在實驗中,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FBG傳感器時,由示波器觀測到的F-P掃描電壓和光電檢測器輸出信號的原始波形如圖4所示。

        為了觀察采集到的一個周期的數(shù)據(jù),實驗時只采集一個周期,即0.1 s的數(shù)據(jù),存放在一個長度為16 000的數(shù)組中。在CCS3.3環(huán)境下運行采集程序,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,對應(yīng)掃描正程和返程兩個周期的光柵信號,由示波器觀測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。運行程序時,相應(yīng)地采集兩個周期的數(shù)據(jù),存放在長度為32 000的數(shù)組中,得到的數(shù)據(jù)波形如圖7所示。

        由以上實驗結(jié)果可知,本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集信號,采集結(jié)果無失真。

        4.2 同步采集的實驗測試

        為了測試采集系統(tǒng)CH1和CH2通道是否實現(xiàn)了同步采集,在FBG傳感通道串聯(lián)3個光柵,輸出的信號同時接到采集電路的CH1和CH2,采集一個周期0.1 s的光電信號,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)能夠很好地實現(xiàn)2通道數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)ADS8556的特點,還可以擴展為多個傳感通道的采集系統(tǒng)。

        本文設(shè)計實現(xiàn)了用于解調(diào)FBG傳感信號的數(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)連接起來進行了性能測試。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集光電信號,滿足FBG解調(diào)儀波長分辨率、采集速度的要求。本系統(tǒng)可以擴展多個光柵傳感通道,完成多通道的同步采集;還可以在DSP中編寫波長解調(diào)算法,減輕上位機的工作量,最終實現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化。

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