李 冰，呂 敏，倪 亮

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

基于STM32的便攜式光纖光柵解調儀設計

李 冰，呂 敏，倪 亮

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

該文提出了一種基于STM32單片機的便攜式光纖光柵解調儀設計方案，以STM32F103作為核心控制器，對光纖光柵中心反射波長的微小偏移進行精確測量，并將之轉換為相應物理量。STM32單片機使用TTL/CMOS與迪文DGUS觸摸屏進行交互，實現對反射波形的顯示、波長計算及數據處理等，可方便地進行光纖光柵傳感數據的測讀。

單片機STM32；光纖光柵；觸摸屏；解調儀

便攜式光纖光柵解調儀是用于對光纖光柵中心反射波長的微小偏移進行精確測量，并將之轉換為相應物理量的配套設備，是光纖光柵傳感系統(tǒng)不可缺少的組成部分。便攜式光纖光柵解調儀由于自帶工作電源，大屏幕數據直顯，無需計算機及上位機軟件配合，操作簡單，小巧輕便，被廣泛應用于電力、水利、交通等特殊場合中溫度、應力、應變的監(jiān)測，是光纖光柵傳感系統(tǒng)中用于安裝調試、檢驗測試、數據采集等不可或缺的設備。

1 系統(tǒng)整體設計

便攜式光纖光柵解調儀系統(tǒng)設計可實現光纖光柵傳感器的波長解調，掃描速度1 Hz。儀表采用一體模塊化設計，集成了電源、激光光源、波長解算、數據計算處理等功能模塊，具有彩色液晶顯示，體積小巧，可隨身攜帶，可方便地進行光纖光柵傳感數據的測讀。按照解調儀性能劃分，本系統(tǒng)具體可分為5個功能模塊，即光纖光柵波長信號的解調、外部通訊接口模塊、電源控制模塊、人機交互模塊和數據管理模塊。

在硬件上，設計有電源變換模塊，用于產生光源模塊及F-P濾波器模塊工作所需的5 V、3.3 V直流電源；軟件設計基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，可實現與DGUS觸摸屏之間的通訊、與F-P濾波器通訊等功能，并利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的空閑任務對功耗進行控制。便攜式光纖光柵解調儀總體設計方案如圖1所示。

圖1 便攜式光纖光柵解調儀總體方案Fig.1 Overall scheme of portable fiber grating demodulator

2 系統(tǒng)結構及主要硬件設計

2.1 外觀結構

采用便攜式結構設計，配備17.8 cm觸摸液晶屏。外殼是標準的小儀表箱，主要由下殼體和頂蓋組成，頂蓋可180°翻折，合上后密封外殼可為儀器提供堅固防水防震保護，以滿足惡劣環(huán)境下的使用要求。

2.2 系統(tǒng)架構

便攜式光纖光柵解調儀由人機交互模塊、控制模塊、鋰電池和光學檢測系統(tǒng)（解調模塊，寬帶光源以及光分路器等）組成，便攜式光纖光柵解調儀系統(tǒng)外形及架構如圖2所示。

圖2 便攜式光纖光柵解調儀系統(tǒng)外形及架構Fig.2 Portable fiber grating demodulator system outline and architecture block diagram

2.2.1 人機交互模塊

人機交互模塊包括液晶觸摸屏和面板按鈕，用于實現數據顯示、儀器開關、設置儀器參數等功能。人機交互模塊通過RS232通訊接口連接控制模塊，其相應的指令通過控制模塊下達給光學檢測系統(tǒng)。

2.2.2 控制模塊

控制模塊用于控制光學檢測系統(tǒng)，讀取檢測數據，分析處理檢測數據，與上位機進行通訊，與人機交互模塊進行通訊等。該模塊接收來自人機交互模塊的指令，控制光學檢測系統(tǒng)工作，待測量完成后，讀取測量數據并傳輸給人機交互模塊。

2.2.3 光學檢測系統(tǒng)

光學檢測系統(tǒng)包括寬帶光源、OM3解調模塊和光分路器以及一些光學接口和光纖，是整個儀器的核心所在。當接收測量指令后，寬帶光源產生光信號，該信號經光纖光柵傳感器反射傳回解調模塊，解調模塊對波長信號進行解調，并將結果傳給控制模塊。

2.2.4 鋰電池

鋰電池用來提供儀器電源，儀器開啟后對人機交互模塊和控制模塊供電，對光學檢測系統(tǒng)的供電則由控制模塊控制。

2.3 處理器選擇及硬件電路設計

經過對功耗和性能的分析，確定采用STM32 F103ZGT6處理器。其工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器 （高達1024 KB的閃存和96 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到2條APB總線的外設，供電電壓3.3 V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求，達到了性能和功耗的平衡[1]。

便攜式光纖光柵解調儀系統(tǒng)MCU接線如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件及觸摸屏模塊設計

3.1 嵌入式軟件設計

該解調儀嵌入式軟件運行于Cortex-M3芯片的硬件環(huán)境中，由于軟件功能有限，實時操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ就可以滿足軟件的需要，實現串口指令交互任務、觸摸屏指令交互任務、測量及存儲任務、上位機通信任務等功能。

軟件系統(tǒng)流程如圖4所示，任務流程如圖5所示。

3.2 觸摸屏設計

與傳統(tǒng)的LCM通過時序或者指令控制顯示不同，DGUS屏采用直接變量驅動顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預先設置好的變量配置文件進行工作[2]。DGUS屏基于配置文件進行工作，整個開發(fā)流程是通過PC軟件輔助設計完成變量配置文件的過程，具體如下：

圖3 便攜式光纖光柵解調儀MCU接線Fig.3 Portable fiber grating demodulator MCU wiring diagram

圖4 軟件流程Fig.4 Programming flow chart

圖5 任務流程Fig.5 Mission flow chart

步驟1變量規(guī)劃?；咀裱?個原則：數據變量盡可能地址連續(xù)，以便于讀/寫；參數描述變量和數據變量的地址要分開，并且不要交叉。

步驟2界面設計。利用PS（或者

其他繪圖軟件）進行界面及界面相關元素（圖標、字庫）設計。設計過程中，要選擇調色板系統(tǒng)為65K色，確保最終顯示效果和設計效果一致。

步驟3界面配置。利用迪文提供的工具軟件進行界面配置，生成觸控配置文件和變量配置文件。

步驟4測試修改。把配置文件、圖片、字庫、圖標庫等借助SD卡下載到DGUS屏，進行界面測試和修改（步驟2，步驟3）。把串口連上用戶MCU系統(tǒng)，進行數據聯調。

步驟5定版歸檔。定版后，把配置文件、圖片、字庫、圖標庫等DGUS屏涉及的文件保存在一張SD卡上。

4 系統(tǒng)實現

打開電源開關，從觸摸屏上可見讀取到單個通道的光譜顯示，觸控相關按鈕可以進行波形的放大和縮小、上下平移、左右平移。

光譜顯示界面如圖6所示，按鈕“Y+”和“Y-”分別對應波形信號幅度的放大、縮??；按鈕 “X+”和“X-”分別對應波形時間展寬和縮減；按鈕“左移”和“右移”分別對應波形向左平移和向右平移。

圖6 光譜顯示界面Fig.6 Spectrogram display interface

根據傳感器校準系數，將波長量轉換為溫度、位移、應變等物理量，試驗中將傳感器全部設置為溫度計，得到的測試溫度值如圖7所示。

5 結語

便攜式光纖光柵解調儀的設計，采用了STM32作為主控芯片，其內部包含豐富的功能模塊，擁有標準和先進的通信接口，無需外擴芯片即可完成光纖光柵信號的采集、存儲和數據通信[3]，使整個系統(tǒng)具有體積小、功耗低的特點，滿足了便攜式設備的基本要求。試驗表明該系統(tǒng)達到了預期效果。隨著光纖光柵在電力、水利、交通等場合應用的深入普遍，該解調儀有著很高的應用價值和良好的市場前景。

圖7 物理量測顯示界面Fig.7 Physical quantity measurement display interface

[1] 馬忠梅，徐琰，葉青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2] 黃波，周美嬌，周陽，等.基于DGUS軟件的無紙記錄儀人機界面開發(fā)[J].電子科技，2015，28（10）：108-110.

[3] 武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設計[J].器件，2009，32（5）：946-949.

Design of Portable Fiber Grating Demodulator Based on STM32

LI Bing，LV Min，NI Liang

（NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

A design schemeofportablefibergratingdemodulatorbased on STM32 MCU isproposed.Ituses STM32F103 as the core controller to accurately measure the small offset of the reflection wavelength of the fiber grating，and converts it into a corresponding physical quantity.STM32 MCU uses TTL/CMOS to interact with Devin DGUS touch screen to achieve the reflection of the waveform display，wavelength calculation and data processing.It can be easily carried out fiber Bragg sensing data.

STM32 MCU；fiber Bragg grating；touch screen；demodulator

TP23

B

1001-9944（2017）08-0030-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.008

2017-03-01；

2017-05-11

李冰（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為水電廠自動化；呂敏（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為測量及控制；倪亮（1990—），男，碩士，助理研發(fā)工程師，研究方向為水質類傳感器。