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(zhǎng)光的傳播，并將其反射回來(lái)。被布拉格光纖光柵反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)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(jì)的各種物理量傳感器，如應(yīng)變、壓力、溫度等，通過(guò)檢測(cè)這些傳感器反射光的波長(zhǎng)變化，就可以得到所需的被測(cè)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(jí)別高等系列優(yōu)點(diǎn)，受到工程應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)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(cè)系統(tǒng)、油氣等易燃易爆高危環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(hào)，分析識(shí)
別這些光信號(hào)的波長(zhǎng)，才能得到被測(cè)信號(hào)的物理量。工程上通過(guò)光纖法-柏分析器，將布拉格光纖光柵傳感器輸出的光信號(hào)解調(diào)為電信號(hào)，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(hào)是布拉格光纖光柵傳感信號(hào)處理系統(tǒng)的基本問(wèn)題。同時(shí)，常常作為特殊和重大應(yīng)用領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化等功能，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)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(hào)處理系統(tǒng)。
2系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計(jì)
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(hào)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(hào)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(hào)的解調(diào)和對(duì)解調(diào)后信號(hào)的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)的光纖法-柏分析器事實(shí)上是一個(gè)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(hào)，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(guò)給光纖法-柏分析器的壓控端加上一個(gè)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(gè)與輸入窄帶光光譜相對(duì)應(yīng)的時(shí)間域電信號(hào)。這個(gè)時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形，處理為一個(gè)系列脈沖信號(hào)，這個(gè)系列脈沖信號(hào)中的各個(gè)脈沖在時(shí)間域上的相對(duì)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(gè)解調(diào)過(guò)程。由于布拉格光纖光柵僅反射特定波長(zhǎng)的光波，通過(guò)合理設(shè)計(jì)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(jì)成將多個(gè)傳感器串連使用，這樣，每個(gè)信號(hào)解調(diào)器就可以同時(shí)完成對(duì)多個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。
識(shí)別脈沖信號(hào)中各個(gè)脈沖所出現(xiàn)的相對(duì)時(shí)刻是對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理的主要任務(wù)，對(duì)它的識(shí)別精度直接關(guān)系到系統(tǒng)測(cè)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(cè)量速度不小于50次/秒，測(cè)量分辨率大于1/30000。這就要求脈沖時(shí)間識(shí)別的分辨率達(dá)到1/1500000秒，約為0.67uS。考慮到光纖法-柏分析器要求的回掃時(shí)間損失，脈沖時(shí)間識(shí)別的實(shí)際分辨率必須小于0.50uS。
S3C44B0微控器的定時(shí)器是按每2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為單位計(jì)時(shí)。因此，若采用S3C44B0微控器，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率設(shè)定64MHz，用定時(shí)器計(jì)時(shí)，則計(jì)時(shí)分辨率為Δt1=2/64us。在一個(gè)單一的中斷系統(tǒng)中，S3C44B0的中斷響應(yīng)時(shí)間為5~29個(gè)時(shí)鐘周期。執(zhí)行指令所需的固定時(shí)間和中斷響應(yīng)最短時(shí)間可以通過(guò)軟件予以消除，而可能產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的最大計(jì)時(shí)誤差Δt2為24個(gè)時(shí)鐘周期，即Δt2=24/64us。設(shè)：
ΔT=|Δt1|+|Δt2|=0.4us(1)
則通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)總的計(jì)時(shí)誤差在±ΔT/2，即±0.2uS之內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)要求。直接利
用S3C44B0微控器的定時(shí)器和外部中斷來(lái)處理脈沖時(shí)間識(shí)別問(wèn)題，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)較大簡(jiǎn)化。
針對(duì)上述各項(xiàng)要求，我們以S3C44B0微控器為核心，設(shè)計(jì)了一套布拉格光纖光柵傳感信號(hào)處理系統(tǒng)。整個(gè)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(duì)布拉格光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)時(shí)，先給出光纖法-柏分析器掃描的門(mén)控信號(hào)，再測(cè)量經(jīng)過(guò)處理的各個(gè)信號(hào)脈沖在門(mén)控時(shí)限內(nèi)所出現(xiàn)的相對(duì)時(shí)刻。設(shè)Trise為門(mén)控信號(hào)開(kāi)始，tb1、tb2、tm1、tm2……tmn分別為各脈沖相對(duì)于Trise的時(shí)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(gè)不同波長(zhǎng)傳感器所產(chǎn)生脈沖的時(shí)間，如圖3：
圖3解調(diào)信號(hào)波形
則各傳感器所產(chǎn)生脈沖在門(mén)控時(shí)限內(nèi)所出現(xiàn)的相對(duì)時(shí)刻，可由下列計(jì)算公式?jīng)Q定：
設(shè)
，則對(duì)任意的輸入有：
圖4標(biāo)定關(guān)系
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(gè)任務(wù)：測(cè)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(cè)量任務(wù)在就緒狀態(tài)下被測(cè)量中斷喚醒。同時(shí)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(pán)輸入，根據(jù)輸入對(duì)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(cè)量任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)實(shí)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(shí)針對(duì)解調(diào)儀的遠(yuǎn)程操作設(shè)計(jì)的一個(gè)服務(wù)進(jìn)程。它負(fù)責(zé)處理用戶從網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求并做出響應(yīng)。各任務(wù)之間關(guān)系如圖5所示。
4個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)安排從高到低為：測(cè)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(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度方式，所以，其余任務(wù)不會(huì)影響到測(cè)量任務(wù)的實(shí)時(shí)性。
則各傳感器所產(chǎn)生脈沖在門(mén)控時(shí)限內(nèi)所出現(xiàn)的相對(duì)時(shí)刻
圖5各任務(wù)間關(guān)系圖
系統(tǒng)針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)文件服務(wù)系統(tǒng)。文件的存儲(chǔ)
介質(zhì)采用非易失性存儲(chǔ)器NANDFLASH。由于NANDFLASH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(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議。并提供了一個(gè)服務(wù)進(jìn)程，用戶可以通過(guò)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(jì)是針對(duì)4個(gè)輸入按鍵、一個(gè)RS232接口和一個(gè)320*240彩色LCD的硬件環(huán)境。在LCD屏幕區(qū)設(shè)計(jì)有系統(tǒng)操作功能菜單，以及顯示測(cè)量數(shù)據(jù)變化曲線的圖形區(qū)。軟件設(shè)計(jì)使得用戶可通過(guò)4個(gè)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(jì)相關(guān)的信息也同時(shí)以文本格式輸出到串口終端。
4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)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(cè)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。
標(biāo)定關(guān)系
圖6實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)
5結(jié)論
本文實(shí)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定。
系統(tǒng)對(duì)光纖法-柏分析器輸出信號(hào)處理時(shí)采用了較為簡(jiǎn)單的處理方法，雖然能夠滿足工程測(cè)量中的基本要求，但如果要求進(jìn)一步提高系統(tǒng)測(cè)量分辨率和準(zhǔn)確性，則對(duì)信號(hào)的處理方法需要改進(jìn)。50次/s的測(cè)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。
