基于S3C44B0的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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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)，阻止特定波長光的傳播，并將其反射回來。被布拉格光纖光柵反射回來的光的波長與布拉格光柵結(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)計的各種物理量傳感器，如應(yīng)變、壓力、溫度等，通過檢測這些傳感器反射光的波長變化，就可以得到所需的被測物理量。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)、與電隔離安全級別高等系列優(yōu)點，受到工程應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的關(guān)注，特別是如大型結(jié)構(gòu)永久性變形和強(qiáng)度監(jiān)測系統(tǒng)、油氣等易燃易爆高危環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測等，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，分析識
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]嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件平臺，設(shè)計并實現(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處理系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)工作原理與硬件設(shè)計
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的解調(diào)和對解調(diào)后信號的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)的光纖法-柏分析器事實上是一個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，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，通過給光纖法-柏分析器的壓控端加上一個三角形的掃描電壓，則在光纖法-柏分析器的輸出端即可得到一個與輸入窄帶光光譜相對應(yīng)的時間域電信號。這個時域信號經(jīng)過放大、整形，處理為一個系列脈沖信號，這個系列脈沖信號中的各個脈沖在時間域上的相對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指示了這個解調(diào)過程。由于布拉格光纖光柵僅反射特定波長的光波，通過合理設(shè)計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)計成將多個傳感器串連使用，這樣，每個信號解調(diào)器就可以同時完成對多個傳感器的解調(diào)工作。這也是布拉格光纖光柵傳感器的另一個優(yōu)點。
圖1 布拉格光纖光柵傳感信號解調(diào)過程
識別脈沖信號中各個脈沖所出現(xiàn)的相對時刻是對這個信號進(jìn)行處理的主要任務(wù)，對它的識別精度直接關(guān)系到系統(tǒng)測量精度和性能。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)測量速度不小于50次/秒，測量分辨率大于1/30000。這就要求脈沖時間識別的分辨率達(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間損失，脈沖時間識別的實際 分辨率必須小于0.50uS。
S3C44B0微控器的定時器是按每2個系統(tǒng)時鐘周期為單位計時。因此，若采用S3C44B0微控器，系統(tǒng)時鐘頻率設(shè)定64MHz，用定時器計時，則計時分辨率為Δt1=2/64 us。在一個單一的中斷系統(tǒng)中，S3C44B0的中斷響應(yīng)時間為5~29個時鐘周期。執(zhí)行指令所需的固定時間和中斷響應(yīng)最短時間可以通過軟件予以消除，而可能產(chǎn)生不可預(yù)計的最大計時誤差Δt2為24個時鐘周期，即Δt2=24/64 us。設(shè)：
ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us (1)
則通過軟件設(shè)計，可以使系統(tǒng)總的計時誤差在
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