基于S3C44B0的布拉格光纤光栅传感信号处理系统

1   引言 

     布拉格光纤光栅是一种利用准分子激光等方法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传播性质，阻止特定波长光的传播，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内部布拉格光栅的结构，所以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利用布拉格光纤光栅的这一性质设计的各种物理量传感器，如应变、压力、温度等，通过检测这些传感器反射光的波长变化，就可以得到所需的被测物理量。由于光和光纤的特有性质，布拉格光纤光栅传感器作为一类新型传感器 ，具有灵敏度高、性能稳定、抗电磁干扰和恶劣环境能力强、与电隔离安全级别高等系列优点，受到工程应用领域越来越多的关注，特别是如大型结构永久性变形和强度监测系统、油气等易燃易爆高危环境现场监测等，更是亟待具有这类特殊性质的传感器。

     布拉格光纤光栅传感器的输出是光信号，分析识

别这些光信号的波长，才能得到被测信号的物理量。工程上通过光纤法-柏分析器，将布拉格光纤光栅传感器输出的光信号解调为电信号，再由电路系统进行处理。因此，如何控制光纤法-柏分析器工作、准确分析解调信号是布拉格光纤光栅传感信号处理系统的基本问题。同时，常常作为特殊和重大应用领域的监测设备，对系统的智能化、网络化等功能，也是系统设计时必须考虑的问题。

     本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0[1]为硬件核心，uC/OS-II [2]嵌入式实时操作系统为软件平台，设计并实现了一套嵌入式的具有图形化人机界面、Internet网络接口、文件服务与数据记录、多种通信接口等功能的布拉格光纤光栅传感信号处理系统。

2   系统工作原理与硬件设计 

     布拉格光纤光栅传感器常常用在特殊和重要领域，作为布拉格光纤光栅传感器信号处理系统，不仅要求能够准确可靠、高性能地完成传感信号的解调工作，工程上还常常要求系统具有高标准的附加功能，如：Internet连接、USB接口、标准串行口、非易失性数据记录、图示化人机界面、便携等，要达到这些要求，采用嵌入式微控器作为系统的控制核心是一种最佳选择。

     系统的控制核心还须控制布拉格光纤光栅传感信号的解调和对解调后信号的处理。用于布拉格光纤光栅传感信号解调的光纤法-柏分析器事实上是一个压控的光带通滤波元件，如果给布拉格光纤光栅传感器注入宽带光信号，将布拉格光纤光栅反射的窄带光加到光纤法-柏分析器的输入端，通过给光纤法-柏分析器的压控端加上一个三角形的扫描电压，则在光纤法-柏分析器的输出端即可得到一个与输入窄带光光谱相对应的时间域电信号。这个时域信号经过放大、整形，处理为一个系列脉冲信号，这个系列脉冲信号中的各个脉冲在时间域上的相对位置就包含了布拉格光纤光栅传感器反射的窄带光光谱信息。图1指示了这个解调过程。由于布拉格光纤光栅仅反射特定波长的光波，通过合理设计各传感器反射的中心频率，布拉格光纤光栅传感器可以串连使用。工程中一般设计成将多个传感器串连使用，这样，每个信号解调器就可以同时完成对多个传感器的解调工作。这也是布拉格光纤光栅传感器的另一个优点。

       图1   布拉格光纤光栅传感信号解调过程

    识别脉冲信号中各个脉冲所出现的相对时刻是对这个信号进行处理的主要任务，对它的识别精度直接关系到系统测量精度和性能。按照工程上要求和现有光纤法-柏分析器性能指标，要求系统测量速度不小于50次/秒，测量分辨率大于1/30000。这就要求脉冲时间识别的分辨率达到1/1500000秒，约为0.67uS。考虑到光纤法-柏分析器要求的回扫时间损失，脉冲时间识别的实际 分辨率必须小于0.50uS。

      S3C44B0微控器的定时器是按每2个系统时钟周期为单位计时。因此，若采用S3C44B0微控器，系统时钟频率设定64MHz，用定时器计时，则计时分辨率为Δt1=2/64 us。在一个单一的中断系统中，S3C44B0的中断响应时间为5~29个时钟周期。执行指令所需的固定时间和中断响应最短时间可以通过软件予以消除，而可能产生不可预计的最大计时误差Δt2为24个时钟周期，即Δt2=24/64 us。设：

        ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us                   (1) 

     则通过软件设计，可以使系统总的计时误差在±ΔT/2，即±0.2 uS 之内，可以满足系统要求。直接利

用 S3C44B0微控器的定时器和外部中断来处理脉冲时间识别问题，这给系统设计带来较大简化。

     针对上述各项要求，我们以S3C44B0微控器为核心，设计了一套布拉格光纤光栅传感信号处理系统。整个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信号解调时，先给出光纤法-柏分析器扫描的门控信号，再测量经过处理的各个信号脉冲在门控时限内所出现的相对时刻。设Trise为门控信号开始， tb1、tb2、tm1、tm2……tmn分别为各脉冲相对于Trise的时间，其中，tb1、tb2为光纤法-柏分析器解调参考基准，tm1、tm2……tmn是n个不同波长传感器所产生脉冲的时间，如图3：

          图3   解调信号波形

     则各传感器所产生脉冲在门控时限内所出现的相对时刻，可由下列计算公式决定： 
    
     设    是已知的三组数据，则对任意的输入有：

            图4   标定关系

3   系统软件设计 

     本系统采用uC/OS-II作为操作系统，负责任务的调度和任务间通信。系统一共设有4个任务：测试任务、界面交互任务、网络任务和网络服务任务。测量任务在就绪状态下被测量中断唤醒。同时该任务还可以和网络服务任务和界面交互任务通信，接受用户的参数更改。界面任务选择在串口终端或LCD上显示用户信息，并接受键盘输入，根据输入对系统工作参数、显示方式等做出相应调整，或将指令传递给测量任务。网络任务实现TCP/IP协议和套接字服务，它负责高层软件的网络通信。网络服务时针对解调仪的远程操作设计的一个服务进程。它负责处理用户从网络发来的请求并做出响应。各任务之间关系如图5所示。

    4个任务的优先级安排从高到低为：测量任务——界面任务——网络任务——网络服务。uC/OS-II采用基于优先级的抢占式任务调度方式，所以，其余任务不会影响到测量任务的实时性。

       图5   各任务间关系图

    系统针对测量数据实时记录的要求，设计了一个文件服务系统。文件的存储

介质采用非易失性存储器NAND FLASH。由于NAND FLASH的格式与MSDOS 的FAT文件系统格式相一致，所以本系统采用FAT文件系统。系统在uC/OS-II上移植了lw/IP[]，实现了TCP/IP协议。并提供了一个服务进程，用户可以通过网络监控解调仪的状态、下载数据文件等。

     系统的界面任务设计是针对4个输入按键、一个RS232接口和一个320*240彩色LCD的硬件环境。在LCD屏幕区设计有系统操作功能菜单，以及显示测量数据变化曲线的图形区。软件设计使得用户可通过4个按键、LCD上的功能菜单完成与系统的交互操作。与界面任务设计相关的信息也同时以文本格式输出到串口终端。

4 系统实现 

     实验原型系统如图6。系统的主要功能和性能如下：

1）分辨率：满量程1/30000，最大测量速度：50次/s；
2）图形界面，4键控制，320*240 彩色LCD显示；
3）支持串口终端操作；
4）网络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 

     本文实现的系统代替目前布拉格光纤光栅解调较多使用的“上位PC机+下位单片机”模式有了较大进步，该系统能够较好发挥布拉格光纤光栅传感器的性能和优点，功能也符合大多数工程应用领域所提出的要求。原型系统经过现场实验证明，测量指标达到设计要求，运行稳定。

     系统对光纤法-柏分析器输出信号处理时采用了较为简单的处理方法，虽然能够满足工程测量中的基本要求，但如果要求进一步提高系统测量分辨率和准确性，则对信号的处理方法需要改进。50次/s的测量速度和1/30000分辨率也达到了S3C44B0微控制器直接处理的最大限度。

参考文献

[1]   S3C44B0X RISC MICROPROCESSOR.Samsung Electronics.2001
[2]   Jean J. Labrosse.邵贝贝译.uCOS-II－源码公开的实时嵌入式操作系统.北京.中国电力出版社. 2001
[3]   http://www.sics.se/~adam/lwip/