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基于S3C44B0的布拉格光纤光栅传感旌旗暗记处置赏罚赏罚系统的设计与完成

宣布时间:2010年09月14日 15:09    宣布者:techshare
要害词: S3C44B0 , 布拉格 , 传感旌旗暗记 , 光纤 , 光栅
1 弁言

布拉格光纤光栅是一种应用准分子激光等措施在光纤中加工的有序光栅,布拉格光纤光栅可以改变光在光纤中的撒播性子,阻挡特定波长光的撒播,并将其反射回来。被布拉格光纤光栅反射回来的光的波长与布拉格光栅结构相关。由于光纤的变形直接影响其外部布拉格光栅的结构,以是布拉格光纤光栅可以用作一种敏感元件。布拉格光纤光栅传感器就是应用布拉格光纤光栅的这一性子设计的种种物理量传感器,如应变、压力、温度等,经由历程检测这些传感器反射光的波长变换,便可以取得所需的被测物理量。由于光和光纤的特有性子,布拉格光纤光栅传感器作为一类新型传感器 ,具有迅速度高、性能稳固、抗电磁滋扰和低劣情形才干强、与电隔离安然级别高等系列优点,遭到工程应用领域愈来愈多的关注,特殊是如年夜型结构永世性变形和强度监测系统、油气等易燃易爆高危情形现场监测等,更是亟待具有这类特殊性子的传感器。  

布拉格光纤光栅传感器的输入是光旌旗暗记,剖析识别这些光旌旗暗记的波长,才干取得被测旌旗暗记的物理量。工程上经由历程光纤法-柏剖析器,将布拉格光纤光栅传感器输入的光旌旗暗记解调为电旌旗暗记,再由电路系统阻拦处置赏罚赏罚。是以,若何控制光纤法-柏剖析器使命、准确剖析解调旌旗暗记是布拉格光纤光栅传感旌旗暗记处置赏罚赏罚系统的基本效果。同时,经常作为特殊和严严重年夜应用领域的监测装备,对系统的智能化、群集化等功效,也是系统设计时必须推敲的效果。  

本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0为硬件焦点,uC/OS-II 嵌入式实时操作系统为软件平台,设计并完成了一套嵌入式的具有图形化人机界面、Internet群集接口、文件服务与数据纪录、多种通讯接口等功效的布拉格光纤光栅传感旌旗暗记处置赏罚赏罚系统。  

2 系统使命原理与硬件设计

布拉格光纤光栅传感器经常常应用在特殊和主要领域,作为布拉格光纤光栅传感器旌旗暗记处置赏罚赏罚系统,不只请求能够准确可靠、高性能地完成传感旌旗暗记的解调使命,工程上还经常请求系统具有高尺度的附加功效,如:Internet毗连、USB接口、尺度串行口、非易掉落性数据纪录、图示化人机界面、便携等,要到达这些请求,接纳嵌入式微控器作为系统的控制焦点是一种最好选择。  

系统的控制焦点还须控制布拉格光纤光栅传感旌旗暗记的解协调对解调后旌旗暗记的处置赏罚赏罚。用于布拉格光纤光栅传感旌旗暗记解调的光纤法-柏剖析器现实上是一个压控的光带通滤波元件,假定给布拉格光纤光栅传感器注入宽带光旌旗暗记,将布拉格光纤光栅反射的窄带光加到光纤法-柏剖析器的输入端,经由历程给光纤法-柏剖析器的压控端加上一个三角形的扫描电压,则在光纤法-柏剖析器的输入端便可取得一个与输入窄带光光谱相对应的时间域电旌旗暗记。这个时域旌旗暗记经由镌汰年夜、整形,处置赏罚赏罚为一个系列脉冲旌旗暗记,这个系列脉冲旌旗暗记中的各个脉冲在时间域上的相对职位就网罗了布拉格光纤光栅传感器反射的窄带光光谱信息。图1指导了这个解调历程。由于布拉格光纤光栅仅反射特定波长的光波,经由历程公正设计各传感器反射的中央频率,布拉格光纤光栅传感器可以勾通应用。工程中浅易设计成将多个传感器勾通应用,这样,每个旌旗暗记解调器便可以同时完成对多个传感器的解调使命。这也是布拉格光纤光栅传感器的此外一个优点。  



图1 布拉格光纤光栅传感旌旗暗记解调历程  

识别脉冲旌旗暗记中各个脉冲所泛起的相对时间是对这个旌旗暗记阻拦处置赏罚赏罚的主要义务,对它的识别精度直接关系到系统丈量精度和性能。凭证工程上要求和现有光纤法-柏剖析器性能目的,请求系统丈量速率不小于50次/秒,丈量分辨率年夜于1/30000。这就请求脉冲时间识其他分辨率到达1/1500000秒,约为0.67uS。推敲到光纤法-柏剖析器请求的回扫时间损掉落,脉冲时间识其他现实分辨率必须小于0.50uS。  

S3C44B0微控器的准时器是按每2个系统时钟周期为单元计时。是以,若接纳S3C44B0微控器,系统时钟频率设定64MHz,用准时器计时,则计时分辨率为Δt1=2/64 us。在一个单一的中止系统中,S3C44B0的中止照顾时间为5"29个时钟周期。推行指令所需的固准时间和中止照顾最短时间可以经由历程软件予以扫除,而能够发生弗成预计的最年夜计时误差Δt2为24个时钟周期,即Δt2=24/64 us。设:

ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us (1)

则经由历程软件设计,可使系统总的计时误差在±ΔT/2,即±0.2 uS 以内,可以知足系统请求。直接应用 S3C44B0微控器的准时器和外部中止来处置赏罚赏罚脉冲时间识别效果,这给系统设计带来较年夜简化。  

针对上述各项请求,我们以S3C44B0微控器为焦点,设计了一套布拉格光纤光栅传感旌旗暗记处置赏罚赏罚系统。所有系统的硬件原理如图2所示。  



图2 系统的硬件原理图  

系统对布拉格光纤光栅传感旌旗暗记解调时,先给出光纤法-柏剖析器扫描的门控旌旗暗记,再丈量经由处置赏罚赏罚的各个旌旗暗记脉冲在门控时限内所泛起的相对时间。设Trise为门控旌旗暗记泉源, tb1、tb2、tm1、tm2……tmn划分为各脉冲相关于Trise的时间,其中,tb1、tb2为光纤法-柏剖析器解调参考基准,tm1、tm2……tmn是n个不合波长传感器所发生脉冲的时间,如图3:  


图3 解调旌旗暗记波形  

则各传感器所发生脉冲在门控时限内所泛起的相对时间,可由以下盘算公式决议:





是已知的三组数据,则对随便任性的输入有:  



图4 标定关系  

3 系统软件设计

本系统接纳uC/OS-II作为操作系统,担负义务的调剂和义务间通讯。系统一共设有4个义务:测试义务、界面交互义务、群集义务和群集服务义务。丈量义务在停当状态下被丈量中止叫醒。同时该义务还可以和群集服务义务和界面交互义务通讯,吸收用户的参数更改。界面义务选择在串口终端或LCD上显示用户信息,并吸收键盘输入,凭证输入对系统使命参数、显示要领等做出照顾调剂,或将指令转达给丈量义务。群集义务虚现TCP/IP协定和套接字服务,它担负高层软件的群集通讯。群集服务时针对解调仪的远程操作设计的一个服务历程。它担负处置赏罚赏罚用户从群集发来的请求并做出照顾。各义务之间关系如图5所示。

4个义务的优先级部署从高到低为:丈量义务——界面义务——群集义务——群集服务。uC/OS-II接纳基于优先级的抢占式义务调剂要领,以是,其他义务不会影响到丈量义务的实时性。  

系统针对丈量数据实时纪录的请求,设计了一个文件服务系统。文件的存储介质接纳非易掉落性存储器NAND FLASH。由于NAND FLASH的名堂与MSDOS 的FAT文件系统名堂相不合,以是本系统接纳FAT文件系统。系统在uC/OS-II上移植了lw/IP[],完成了TCP/IP协定。并供应了一个服务历程,用户可以经由历程群集监控解调仪的状态、下载数据文件等。  

系统的界面义务设计是针对4个输入按键、一个RS232接口和一个320*240玄色LCD的硬件情形。在LCD屏幕区设计有系统操作功效菜单,和显示丈量数据变换曲线的图形区。软件设计使得用户可经由历程4个按键、LCD上的功效菜单完成与系统的交互操作。与界面义务设计相关的信息也同时以文本名堂输入到串口终端。  

4 系统完成

实验原型系统如图6。系统的主要功效和性能以下:

1)分辨率:满量程1/30000,最年夜丈量速率:50次/s;
2)图形界面,4键控制,320*240 玄色LCD显示;
3)支持串口终端操作;
4)群集远程监控和历史数据下载;
5)支持USB数据下载;
6)文件系统容量:32/64MB。  



图6 实验原型系统  

5 结论

本文完成的系统取代现在布拉格光纤光栅解调较多应用的“上位PC机+下位单片机”形式有了较年夜前进,该系统能够较好施展布拉格光纤光栅传感器的性能和优点,功效也切合年夜多数工程应用领域所提出的请求。原型系统经由现场实验证实,丈量目的到达设计请求,运转稳固。  

系统对光纤法-柏剖析器输入旌旗暗记处置赏罚赏罚时接纳了较为质朴的处置赏罚赏罚措施,虽然能够知足工程丈量中的基本请求,但假定请求进一步前进系统丈量分辨率和准确性,则对旌旗暗记的处置赏罚赏罚措施须要刷新。50次/s的丈量速率和1/30000分辨率也到达了S3C44B0微控制器直接处置赏罚赏罚的最年夜限制。
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