基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统的研究

基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统的研究罗铁亮高雪清等摘要：本文详细阐述了在特定条件下利用可调谐法布里-珀罗腔建立的Ｆ-Ｐ腔解调系统模型和通过检测Ｆ-Ｐ腔的相关参数而得到所测的参变量。在此基础上，笔者设计了采用DSP系统的光纤光栅传感器的解调器，其中DSP系统由AT89C52和TMS320C5402组成，其软硬件设计在文中均有着详细的阐述。关键词:光纤Bragg光栅；法布里-珀罗腔；AT89C52；TMS320C5402；DSP系统中图分类号：TP212.14文献标识码：A一、引言光纤Bragg光栅传感器是利用光纤Bragg光栅受温度和应变的作用时反射波长发生偏移的机理而制成的新型光纤传感器，由于其自身所具有的独特特点，Bragg光栅传感器特别适合于大坝、桥梁的监测以及各种蒙皮结构的检测。自1989年光栅成栅技术取得重大突破以来，众多国家特别是欧美等发达国家投入了大量的财力和物力用于光纤Bragg光栅的研制和应用研究。目前对Bragg光栅反射波长的解调方法主要有二种，其是是应用传统的光谱仪，但由于光谱仪本身的因素,限制了Bragg光栅应用的进一步发展；其二是用单片机控制的Bragg光栅解调系统，它在一定程度加速了光纤光栅传感器的应用，但是单片机的速度还不能完全满足高速信号的解调。鉴于此问题，本文提出了采用高速DSP系统设计解调器的新方案。该方案不但能解调高速的小信号，而且可以利用其本身的优势对信号进行降噪处理，这在很多系统中是很有应用价值的。二、光纤Bragg光栅传感原理光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移，即有：λB=2neff·Λ（1）光纤Bragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射波长光谱的检测，实现对被测结构的应变和温度量值的绝对测量的，其传感原理如图1所示。三、可调谐F-P腔滤波器的工作原理F-P腔可以看作一个窄带滤波器，在一定波长范围内，若以平行光入射到F-P腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉，利用F-P腔的这个特性可以对FBG传感器的反射波长进行检测。可调谐F-P腔(调谐腔长)解调的原理如图2所示。从LED发出的光经隔离器传送到FBG传感器，FBG传感器反射回的光经过一个3dB耦合器引入到可调谐F-P腔图3为F-P空腔模型。从光纤入射的光经自聚焦透镜L1变成平行光入射到F-P腔，出射光经自聚焦透镜L2汇聚到探测器上。构成F-P腔的两个高反射镜中的一个固定,另一个可在外力的作用下移动，其背面贴有一个压电陶瓷PZT。由于压电陶瓷具有很好的电能—机械能转换特性，在外加电动势的作用下可产生形变，因此可用PZT作为F-P腔腔长变化的驱动元件。给压电陶瓷施加一个扫描电压，压电陶瓷产生伸缩，从而改变F-P腔的腔长，使透过F-P腔的光的波长发生改变。由以上分析可知，若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合,则探测器能探测到最大光强，此时给压电陶瓷施加的电压Ｖ就对应着FBG的反射波长。通过检测透射光强即可得到反射波波长,进而得到所测参变量。四、基于DSP系统的光纤Bragg光栅解调系统在光纤光栅传感解调系统中，法布里腔由电压驱动，给其两端加以不同的电压下，法布里腔的腔长将有所改变，而其透射光谱也会发生相应的变化，这个透射谱宽与光纤光栅反射峰的谱宽一致，或相比差不多。也就是说，正是根据驱动电压变化时，法布里腔的透射波长会有着相应的变化这一特点，我们建立了电压驱动可调法布里腔来作为可调谐带通滤波器的解调系统。1、系统的硬件设计光纤Bragg光栅解调系统的硬件原理框图如图4所示：（1）DSP系统的组成考虑到TMS320C5402具有强大的数据运算和处理功能，但其逻辑控制功能较差；而AT89C52具有较多的通用I/O口，比较适合逻辑控制，但其数据运算和处理功能较差。将其二者结合起来，可以弥补双方的不足，充分发挥双方优点。本系统主处理器采用美国AMTEL的AT89C52，该芯片内有8K的FLASHROM，并可在线修改编程，利用其可完成数据采集，数据输出，人机对话和与上位微通信的功能。协处理器则采用美国TI公司的TMS320VC5402芯片，它有高达100MHz的主时钟，指令周期最小可达10ns，并且其本身具有面向信号处理的专用指令，因此可以完成对信号高速处理和复杂的运算，并可进行实时降噪处理。当前对Bragg光栅的解调算法还没有统一的可用公式，一般是通过实验的方法，测出一组典型数据，用程序来进行插值算法，或曲线拟合算法来计算出被测量。无论是插值算法还是曲线拟合算法，要得到较高的精度都必须进行大量的运算。在实时性要求高的场合，DSP是目前的首选器件。在本系统中，主处理器要不断从双口RAM获取数据向PZT输出驱动电压的数字量，同时不断检测来自光电检测器的信号，并将其转化为数字量送到双口RAM；协处理器不断从双口RAM中读取数据完成插值运算或曲线拟合运算，并将运算结果输出到双口RAM。（2）PZT电压的建立本系统采用美国AD公司的12位高速高精度的数模转换芯片AD667。系统开始运行后，AT89C52从双口RAM中读出TMS320C5402送出的初始数据，然后向数模转换芯片送出，数模芯片获取数据并将其转换为初始驱动电压使PZT产生形变。同时，光电检测器接收光线光栅的反射光并将其转化为电压，再通过模数转换芯片将其转化为数字量，AT89C52获得此值并存入双口RAM，TMS32C5402读取此值并不断与前值比较，若此值最大，则表示F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重合,此时AT89C52记录下施加给PZT工作电压值，否则，DSP系统会连续不断的向AD667发送不同的驱动电压，直到获取最大值。一般用锯齿波驱动PZT调整F-P腔的腔长。这种方法的优点是：AD667对于连续值的转换时间短，因此锯齿波的斜率较大，相应的扫描频率就较高。扫描频率可以自由改变，给出的精确电压是已知数值的，可以直接用来换算中心波长。这样施加的PZT的驱动电压一般只是在0V到10V的一小段上变化，而不用每次都从0V开始连续上升到10V再从新扫描。施加给PZT的驱动电压可以是双极性的也可以是单极性的，只要在设计时选好控制信号即可。（3）系统的人机对话接口本系统给出了两个人机对话接口，即液晶显示和键盘。液晶显示是将解调的物理量用数字量的形式显示出来，以便于观察。键盘的功能主要是设置系统的初始化值和一些通过实验获得的标定参数。（4）系统的存储系统尽管TMS320C5402内部有ROM，但其内容由TI公司定义，我们用户是无法将程序写入的。所以必须为TMS320C5402配置外部ROM或FLASHROM，以存储必要的程序。考虑到调试方便以及TMS320C5402的I/O电压仅为3.3V，我们选择了工作电压是3.3V的闪存。这里选择AM29LV400B，它具有256K×16BIT的容量，2.7V~3.6V的工作电压，可以直接与TMS320VC5402相连接。2、系统的软件设计系统的软件由硬件决定，系统的软件部分主要有如下几个模块:（1）DSP部分的软件设计系统的协处理器DSPTMS320C5402主要完成系统复杂运算和一些数字降噪处理，所以其软件主要由以下子程序组成：DSP的初始化子程序，DSP的BOOTLOAD子程序，线性插值子程序，求最大值子程序等，其详细程序框图见图5。（2）AT89C52部分的软件设计AT89C52作为系统的主处理器，担负着数据采集、数据输出、人机对话和与上位机进行通信的任务，所以它的软件主要由以下子程序组成：AT89C52的初始化子程序，键盘处理子程序，液晶显示子程序，D/A转换子程序和A/D转换子程序等。其详细程序框图见图6。五、结束语FBG光栅有广阔的应用前景，在通讯、建筑、机械、医疗、航天、航海、矿业都能发挥重要作用。FBG光栅传感器的理论研究到目前为止已取得了很大成就，但有关其实用性方面的研究还需要进一步深入。本系统是根据当前的应用要求而设计的一套Bragg光栅传感器的解调系统，用以突破FBG光栅传感器实用化的阻碍，但要达到真正实用化的目的，还有大量的工作要做。参考文献：[1]FerreiraLA,SantosJL,FarahiF,PseudoheterodynedemodulationtechniqueforbiberBragggratingsensorsusingtwomatchedgratings[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1997,9(4):487-489.[2]TMS320C54XDSPREFERRENCESETVOL.1(CPUANDPERIPHERALS),1996[3]美琴等MCS-51系列单片机系统及其应用，等教育出版社，1992.8[4]姜德生，梁磊，南秋明光纤Bragg光栅传感特性德实验研究，传感器技术2003.7[5]张明德，欧洲光纤光栅传感器的应用与发展[J]，光讯，1999，76：23-29[6]贾宏志，李育林，忽满利，用可调法布里－珀罗腔测量光纤光栅波长，激光杂志，2000.21（2）：58－61ResearchOnTheOpticalFiberBraggGratingDemodulationSystemBasedOnDSPSystemAbstract:ThemodelofdemodulationsystembasedonFabry-Perotcavityisdescribed,andreferencevariablesobtainedbycheckingFabry-Perotarepresented.Basedonthis,theopticalfiberBragggratingdemodulationsystembasedonDSPsystemisdesigned,whichiscomposedofAT89C52andTMS320C5402.ThedesignmethodofthedemodulationsystembasedDSPsystemisdescribed,andthehardwareandsoftwaredesignsarealsogiveninthearticle.Keywords:fiberBragggratings;fabry-perotcavity;AT89C52;TMS320C5402;DSPsystem作者简介：罗铁亮，武汉理工大学光纤中心研究生，研究方向为基于DSP系统的光纤光栅解调器的研究。通讯地址：武汉理工大学光纤中心邮编：430070联系电话：[phone]高雪青，在读博士，高级工程师，研究方向为光纤光栅解调系统研究熊浩宇，在读硕士，研究方向为基于USB接口的光纤光栅解调系统研究陆竞晓，在读硕士，研究方向为光纤光栅解调软件的的研究