（精密仪器及机械专业论文）ARM9在FBG波长解调仪上的应用研究.pdf

摘要 a r m 9 在f b g 波长解调仪上的应用研究 摘要 随着我国基础设施建设速度加快，各种大型建筑物不断涌现，人们对于大型 工程结构的健康诊断也越来越关注。常规的监测方法越来越不能满足现有需求， 而光纤传感器以其优异的抗干扰特性和传感信息以波长编码的特点，成为国内外 工程领域广泛关注的重要研究课题。其中，光纤布拉格光栅( f b g ) 以其灵敏度 高、光能利用率高、易复用、适用于工程等特点成为目前光纤传感领域的研究热 点之一。 传统的波长解调都是以p c 机为载体的，但由于p c 机携带不方便，一些特 殊的工程场合迫切需要一种携带方便的设备来完成波长解调的工作，嵌入式系统 以其结构小、成本低、功耗低，容易携带等特点成为了这些场合的首选。 本文首先系统地分析了光纤传感原理及f b g 传感器的技术特点，并在此基 础上提出了以可调谐f - p 滤波器为基础的通用f b g 波长解调方案。针对f - p 滤 波器的非线性特性的影响，分析了设置波长参考的必要性并提出了具体方法。接 着分析了删9 微处理器的特点和、矾n c e 操作系统的特点，并在基于伽l m 9 的嵌入式系统上对w i n c e 操作系统进行了移植工作，另外。还开发了相应的软 件程序对f b g 波长进行解调。论文对整个系统的软硬件进行了详细的设计和调 试，给出了系统调试的结果并进行了讨论。 关键词：光纤光栅传感器波长解调a r m 、i n c e 东南大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h o fw a v e l e i l g t hd e m o d u l a t i o n s y s t e mo ff b g b a s e do na 砌讧9 a b s t r a c t w i t i lm ed c v e l 叩m e mo fl a r g e s c a l eb l l i l d i l l ga n di n 觑i s 仃u c t i | r e si l lc h i n a m o 阳 觚dm o r ca n e l l t i o ni sp a i dt 0m es t n l c t u r ch 朗1 md i a 即o s i s t h e 订a d i t i o n a lm o l l i t o r i n g m e t l l o dc a l l i l o ts a t i s 母t l i er e q u i r e m e l l to fc o 船仃i l c t i o ni n d 璐缸y a s 丘b e r 叩d c a l s c i l s o 瑙h a v eag r e a td e a lo fa d v 砒l t a g 髓o v e r 仃a d i t i o n a lo n e s ，t l l e yb e c o m et h e i i n p o r 拓m tr e s e a r c ht o p i ci i lt h ea r o fs e n s o ra i l di n s 仃l l i n e i l t h lp a n i c u l 瓯t l l e0 p t i c a l 丘b e rb r a g g 掣a t i n g ( f b g ) s e l l s o 墙a r c 、i d e l yu s c di ne i l g i i l e c r i n gi nv i r t o ft h e i r p m m i i l e n tc h a r t e r i s t i c s t 硼i t i o n a l l y ，w eu s ep ct od e m o d u l a t ew a v c l c n g t l l b u tb e c a u s et h ep ci s t c o n v 曲i e mt o 衄k e ，nn e e d sa p o n a b 王ee q u i p m e mt od e m o d u l a 把w a v e l e i l g mi i ls o m e s p e c i a lo c c a s i o n s t h e 锄b e d d e ds y s t e m ，w l l i c hh 船a d v a i l t a g eo f s m a l ls n c t i l 】r e ，l o w c 魄t 粕dl o wp o w e rc o 璐啪p t i o n ，i st h e 觚tc h o i c eo f t h o s eo c c a s i o n s 1 k sp a p e rs y s t e m a t i c a l l y 锄m ) r z e dm ed e t e c t i n gp r i n c i p l eo ff b gs e n s o r 狃d d i s c u s s e dt l l er c l a t i v ct e c l l i l i c a lp r o b l e m sf i 碍t l y 锄dt l l e np u tf o 刑a r das c h 锄eo f w a v e l e n g t hd e i i l o d u l a t i o nb 勰e do nf f pt u n a b l e 丘l t 既as e to fw a v e l c i l g t hr e 衙c e i si n v o l v e di nt h es ”t 锄鹬c a l i b m t i o nt oc o r r e c t n - i d e a lp c r 】研m a n c eo f1 l l ef p 丘l t e lt h 饥a m l y z e dm e 印e c i a l t yo fa r m 9i i l i c r o p r o c s o r 锄d 锄b e d d e d 叩e r a 虹n g s y s t e mw m c e ，觚d 仃a n s p l 舭t c dw m c e0 p e 觚n gs y s t 咖t ot t 幛锄b e d d c ds y s 咖 b 勰c do na r m 9 ，h la d d i t i o n m ep r o 掣鲫w e r ed c v e l o p e df o rt 1 1 ew a v e l e i l g t l l d e m o d u l a t i o n t h er e a l i 枷o no f m el l l l r d w a r c 趾dt l l es o f 啊a r co f t h et o t a ls v s t e m 撇 p r e s 即t c da i l dt h er e s u l t so f d 曲u 萨盯e 西v 钮i nt h i st l l e s i s k e y w o r 出：f b gw a v e l e r i 啦d e l n 枷鲥吣a r m ，w 铀c e n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：避导师签名：组日期：逾 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 近几年来，随着我国国民经济的迅速发展，大型基础工程设施不断兴建。各种重大工 程结构如桥梁、高层建筑、大跨度空问结构、水坝、核电站、输电、输油网络系统等建设项 目层出不穷，对这些工程的健康诊断和安全监测一直是国内外工程领域广泛关注的重要课 题。 目前，在大型建筑结构的工程监测中，传统方法大多是采用温度、应力测试探头，人工 采集各监测点的温度、应力数据。采用这种方法，测试人员劳动强度较大，采集数据不够准 确，信息管理的自动化程度低，难以满足现代信息化管理的要求，监测的实时性较差。目前， 较多场合也采用电子传感器，通过数据采集箱完成数据采集，较之传统的方法有很大的进步， 但是也有它本身无法克服的一些缺陷。例如其抗电磁干扰能力差，存在温漂和零漂，在恶劣环 境中使用易失效，耐久性差等。在一些远距离传输网络系统中，各待测点之间距离相隔甚远， 必须使用多台采集仪器。成本高且数据采集和管理难于实施。因此，寻找更可靠、更有效的 结构检测方法是工程界长期努力的方向，其中，光纤布拉格光栅( 胁b n g g o 缸n g ，f b g ) 传感技术是近几年快速发展并在工程实践中得到应用的结构检测技术川，这种技术同时在交 通、电力、电子、石油、化工、航空、航天、船舶等领域得到广泛的应用。 由于f b g 传感系统及设备主要依赖进口，国内对f b g 的许多关键技术仍处于探索研究阶 段，因此，从技术上研究f b g 传感系统的实现、从工程上探索f b g 传感系统的应用对推动工 程检测技术的发展具有重要意义。 传统的数据处理都是在p c 机上进行的，而在某些场合，可能需要在现场得到数据处理 的结果，这样用p c 机来处理就显得很不方便。因此，需要一种结构小、速度快，通用性高 的嵌入式处理系统设备以应用于这些场合。 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来的工业 产值已超过了l 万亿美元。据统计，目前从事嵌入式开发的软件企业占到了3 0 左右，计划 从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该领域开发的公司占到了大多数，但是我国国 内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。手持设备，家用电器和工业控制则是近期市场的 三大热点。 目前市场上有多种嵌入式处理器，如a r m ，p o w h p c ，d s p ，c o l d f i f e 等。其中a r m 系 列处理器以处理速度快、超低功耗、应用前景广泛和价格低廉等优势占据了大部分的市场份 额。国内有许多院校，科研院所和公司厂家在开发基于a r m 的嵌入式处理系统。运行于a r m 嵌入式处理系统上的操作系统和相关软件也十分丰富和强大。为此，我们选用a 蹦系列的 嵌入式系统作为本设计系统的硬件平台。 1 2国内外现状 由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场前景，其研究和开发引起了世界各国的 高度重视，各国竞相研究开发并引起激烈的竞争。当前，世界上光纤传感领域的发展可分为 两大方向：原理性研究和应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器的实用化开发 成为整个领域发展的热点和关键”。 东南大学硕士学位论文 美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的方面，其进 展都十分迅速。在军事应用方面，研究和开发主要包括：用于水下探测的光纤传感器，用于 航空监测的传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等。美国也是最早将光纤传感 器用于民用领域的国家。如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数， 监测桥梁等大型建筑物浇灌混凝土时其内部的温度和应力变化等。日本和西欧各国也高度重 视并投入大量经费开展光纤传感器的研究和开发。日本在2 0 世纪8 0 年代便制定了“光控系 统应用计划”，该计划旨在将光纤传感器用于大型电厂，以解决强电磁干扰和易燃易爆等恶 劣环境中的信息测量、传输和生产过程的控制。西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光 纤传感器的研发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西 门子公司。 我国在z o 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远， 目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学， 重庆大学、电子工业部1 4 2 6 所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电 流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科技成果，其中有相当数量的研究成 果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平【3 l 。但与发达国家相比，我国的研究水平还 有不小的差距，主要表现在新型光纤传感技术的应用和商品化、产业化方面，大多数品种仍 处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用。 1 3光纤传感器的特点及应用前景 光纤传感器作为一种新型传感器，与传统的机电式传感器相比，有其独特的优势，即 非接触测量、抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、灵敏度高、传输距离远，使用寿命长结构 小巧、可适应分布式多点测量，且测量对象广泛。其中以波长编码作为传感信息的f b g 传感 器被认为是目前最有前途的传感器之一。 光纤传感器的应用范围很广。几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。 尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，主要 表现在以下方面”删i o j 。 ( 1 ) 在高温传感器领域，我国传统方法是采用铅铑丝热电偶，寿命短、成本高，因此， 研究和开发高精度、低成本的高温光纤传感器具有广阔的市场； ( 2 ) 在电力系统，需要测定温度、电流、电压等参数，由于电类传感器易受强电磁场的 干扰，无法在这些场合实用，最佳的方案只能是采用光纤传感器； ( 3 ) 目前防雷抗干扰已经成为我国大坝安全监测自动化中最为棘手的问题。光纤传感器 的使用为彻底解决防雷抗干扰的问题创造了条件； ( 4 ) 在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、c o 等气体采 用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的 光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测； ( 5 ) 在环境监测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器 达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能 力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。 光纤传感器经过2 0 多年的发展，已取得了长足的进步，出现了很多实用性的产品，但 仍然远远不能满足实际需要，还有许多亟待解决的课题： ( 1 ) 传感器的实用化研究。提高传感器的性价比； ( 2 ) 传感器的应用研究。在现有的科研成果基础上，大力开展应用研究和应用成果推 广； 2 第一章绪论 ( 3 ) 新传感理论的研究。开拓新型光纤传感器 ( 4 ) 传感器用特殊光纤材料和器件的研究。 1 4论文的主要内容 本论文共分八章，各章节的安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题背景，国内外的研究现状、光纤传感器的特点及应用前景。 并详细介绍了论文各章节安排。 第二章讲述了光纤光栅的解调系统设计，包括光纤光栅的原理，布拉格光栅的解调方法 和准分布式f b g 传感网络的馋调技术。 第三章讲述了a r m 9 嵌入式系统，包括a r m 9 处理器的介绍，s 3 c 2 4 l o x 开发板的介 绍，嵌入式操作系统的概述以及w i n c e 操作系统的介绍。 第四章为系统的硬件设计，包括系统总体设计以及各个模块的设计等。 第五章讲述了如何安装使用w e 的平台开发软件p h i f o n nb u i l d c r 、如何移植w i n c e 操作系统以及移植w i n c e 操作系统时需要添加和修改的功能等。 第六章讲述了基于w i n c e 操作系统上的部分应用程序的设计，包括v d 、d a 的使用 以及数据的分析处理。 第七章为系统调试，包括各个模块的功能调试以及整个系统的调试。 第八章为总结，对所完成的工作的一些总结并提出在实践过程中所遇到的一些问题。 东南大学硕士学位论文 第二章光纤布拉格光栅解调系统 光纤传感器与传统的传感器最大的区别在于；传统的传感器以电的变化为基础，通过有 线或者无线的方式对电信号进行传输；而光纤传感器是以光作为被测信号变化量的载体，利 用光纤进行信号传输。由于光的特殊性，光纤传感器具有许多独特的优点：不受电磁场的干 扰；绝缘性能好。安全性高，能在易燃、易爆的环境下可靠运行；体积小、重量轻，具有极 高的灵敏度和分辨率。 2 1光纤布拉格光栅传感原理 1 9 7 8 年，h i l l 等人首先发现在掺锗光纤中的光致光栅现象并且制作出世界上第一根光 纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，简称f b g ) 1 9 8 9 年，m e l t z 等人实现了f b g 的u v 光( 紫外光) 侧面写入技术，之后各种新的制作方法和新型光栅相继诞生。f b g 是短周期光 栅，也可称为光纤反射光栅，当入射光源中含有与光栅周期相同或十分接近的波长时，此波 段光波将被光栅反射回去，反射光的中心波长称为布拉格波长或者特征波长。其特征波长会 随外界温度或应变的影响而变化，这就是光纤光栅传感器的基本工作原理。除了一般光纤传 感器具有的优点之外，光纤光栅传感器还具有一些明显优于其它类型光纤传感器的特点： ( 1 ) 测母信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗和探测器老化等影响； ( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要； ( 3 ) 能方便的利用波分复用技术在一根光纤中串接多个光栅进行分布式测量。 光纤的光敏性是指光纤的折射率在紫外光的照射下，随着光强发生变化的特性。光纤的 这种折射率变化具有稳定性，可以保持永久性不变。光纤布拉格光栅是利用石英光纤的紫外 光敏性，通过某些工艺方法( 通常是向g e 磁芯光纤照射2 4 0 m 左右的紫外线) ，使外界入 射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或非周期性的 永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅“j 。光纤光栅结构如图 l 所示。 入射光 i 一 反射光一匡舞竺 纤芯光栅光纤 图 l 光纤光播示意图 光纤光栅必须满足相位匹配条件： 屈一屈= 筇= 警 ( 2 1 ) 人是光栅周期，届、肛为耦合模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，p 为 耦合模的传播常数差。根据a 的长短不同。周期性的光纤光栅可以分为短周期和长周期两 类光纤光栅。对于短周期的光纤光栅，当广谱光波( 宽带) 在其中传播时，两个反向传播的 芯模( 导模) u o l 之间产生能量耦合，形成特定波长为以的反射波。对于前向传播的l p o 。 模属= 属，对于后向传播的l p o l 模届= 儡，两耦合模的传播常数差p = 2 成。，将这 种光栅称为布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ，f b g ) 。光纤光栅中光波的传输特性如图2 2 所示： 卜一竺三! 坐 i ：坐h 刊口2 1 竺一属t 一旦 o 竺岛tj 竺 c c。c 1 c 图2 _ 2 光纤光栅中光波的传输特性 当有光入射时，f b g 能够反射波长满足布拉格发射条件的特定波长的光。f b g 返回的窄 带光波的中心波长为以( 也称为布拉格波长) 为； 如= 2 勺，a ( 2 2 ) 反射光带宽6 ( 半峰值宽度) 为： 反射率民。为： = 厶 = 鼬2 ( 警 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上式中，7 谤是纤芯的有效折射率；三为光栅长度；以为纤芯折射率起伏；，l l 为纤芯 折射率。f b g 中光波的光谱特性如图2 3 所示： l l 圈2 - 3 f b g 中光波的光谱特性 由式2 2 ，光栅的中心波长位移可以表示为： 五= 2 a 劭+ 2 a ( 2 5 ) 布拉格波长取决于光栅周期和纤芯的有效折射率，任何使这两个参量发生改变的物理量 都将引起光栅布拉格波长的改变，通过检测光栅布拉格波长的变化就能够测出物理量的变 化应变和温度都能够导致a 和 发生变化，当光栅受到外界应变作用时。光栅的拉伸会 5 东南大学硕士学位论文 导致光栅周期a 的变化，同时光弹效应会导致光栅折射率变化血够：当光栅受到外界温度 影响时，由于材料热膨胀，会使光栅周期a 发生变化，同时折射率也会随着温度而变化， 以上的变化都将导致布拉格波长漂移。通过对应变的测量还可以实现对其它物理量的测量 如：位移、振动、电磁场等。波长的漂移与应变和温度的关系如下： 会生：( 1 一p c ) 占+ ( 口+ 孝) r ( 2 6 ) 式中，f 是轴向应变，r 是温度差，只是有效弹光系数，口和善分别是光纤的热膨 胀系数和热光系数。波长的漂移与应变、温度的关系可以近似表示为： 会生：疋s + 巧r ( 2 7 ) 式中，疋，巧分别为应变、温度灵敏系数。由式2 7 可知，f b g 的反射波长与温度和 应变都有比较好的线性关系，通过检测反射波长的变化就能够计算出对应的温度和应变的变 化。这个就是f b g 传感器测量温度和应变的基本原理。 2 2f b g 的波长解调方法 如何检测传感光栅布拉格波长的微小偏移是光纤布拉格光栅传感器实用化面临的关键 问题。f b g 波长编码的解调过程中。一般使用的是光谱仪、单色仪等仪器，但光谱仪一是价 格偏高，不适用于普通用户；二是精度低，不能满足高精度测量要求；三是扫描速度慢，不 适用于实时性要求较高的场合；四是体积大，携带不方便，不适用于户外现场检测。此外， 用光谱仪无法直接获得所测参量的大小。为此，发展了多种技术用于波长编码的解调。归纳 起来，解调技术主要有以下几种类型：匹配滤波法、边缘滤波法、干涉法、可调光纤法布里 一珀罗腔法。 下面对这些方法做简单的介绍。 1 匹配滤波法 匹配光栅滤波法是利用其他的f b g 或带通滤波光器件，在驱动元件的作用下跟踪f b g 的 波长变化，然后，通过测量驱动元件的驱动信号来获得被测应力或温度。这种方法又可以分为 反射型和透射型。前者的原理是：测量f b g 的反射光入射到接收f b g 上，羞与接受f b g 的反 射波长一致，则被反射到探测器上；通过p z t 驱动接受f b g 进行扫描，根据探测器的输出记 录此时驱动信号的大小，就可以得到被测量的大小。该方法的精度受光源稳定性和外界干扰 的限制，同时对探测器也提出了较高的要求。透射型与反射型的区别在于：前者的光电探测 器不是放在接收反射光的位置，而是放置于接收透射光的位置，通过监测透射光的有无来 确定是否匹配。从而避免了测量光强微弱的信号。此方法要求采用高功率的宽带光源和高反 射率的光纤光栅。 2 边缘滤波法 波分耦合器在1 5 2 0 1 5 6 0 n r n 的波长范围内，耦合器的效率与波长基本呈线性关系，因 而可以利用该特性来测量波长的变化。宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入耦合器 耦合器的出射光分为两束( 这两束光的功率与入射光的功率在同一坐标系下形如x ) ，两束出 射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率变化的影响最后得到波长的变 6 第二章光纤布拉格光栅解调系统 化量。这种方法的电子处理电路极为简单。但由于受器件传输特性的影响测量分辨率较低。 该方法对于一些对测量分辨率要求不是很高的场合提供了一种结构简单、性能价格比很高的 测量方案。 3 干涉法 光纤马赫一曾德干涉仪具有灵敏度高、易实现多路复用的特点，它对信号的解调是通过 测量干涉信号相位的变化来实现的，但这容易受干扰的影响，产生测量的误差。针对这个问 题的解决方案是对它的一臂进行解调，使得接收到的信号为交流信号，而被测量的信息被 载波在该交流信号上，避免了直流检测。另一种方法是应用迈克尔逊干涉仪，利用波长稳定 的激光对干涉仪的光程差扰动进行监测，然后进行反馈补偿。 对于干涉扫描法而言，波长扫描器件的自由光谱范围决定了确定测量范围的大小，波 长扫描器件的光程差决定了波长扫描器件的分辨率。波长扫描器件的自由光谱范围与光程差 是相互制约的，因此系统的测量范围与分辨率也是相互制约的。 4 可调谐f p 滤波器法 分布式f b g 传感系统在一根光纤中串接多个f b g 传感器s l ，s 2 s 3 s m 宽带光源照射光 纤时，每一个f b g 反射回一个不同布拉格波长的窄带光波。任何对光纤光栅的激励影响如温 度或应变，都将导致这个光纤光栅布拉格波长的改变。分布式光纤光栅传感解调系统通过测 量各测试点光纤光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点待测参量的变化。本解调系统 用耦合器引导光纤光栅反射进入可调谐窄带光纤f - p 滤波器，通过电控压电陶瓷改变滤波器 中的f p 腔长来改变f p 滤波器的导通频带。在调谐控制信号的作用下，光纤f p 滤波器的导 通频带扫描整个光栅反射光光谱。由于光纤f p 滤波器的导通频带很窄，当光纤f p 滤波器的 导通中心波长与某一光纤光栅的布拉格波长相等时，有且仅有一个光纤光栅的反射光通过光 纤f p 滤波器进入到光电探测器，光电探测器将这一光纤光栅的反射光变换成电信号，这个 信号的峰顶对应于从这一光纤光栅反射回的波长。当某个被测f b g 例如s 在某时刻的被测物 理量如温度或者是应变发生改变，相应的反射f b g 波长发生改变，检测出的反射波长的改变 对应被测物理量的变化。通过这种解调方式，此解调系统能以几m z 频率至几百h z 的频率进 行扫描，在可调谐f - p 滤波器的每个扫描周期中，所有光纤光栅传感器的布拉格波长能得到 快速测定。此解调系统可应用于各类分布式光纤光栅传感系统中。 图2 - 4 可调谐f p 解调系统示意图 与其它几种解调方法相比可调谐f p 滤波器法光能利用率高，操作简单。适用范围广， 具有较宽的调谐范围，可大大提高测量范围和传感f b g 复用个数，可以实现较高的分辨率 及测量精度。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 分布式f b g 的波长解调技术 f b g 传感器实用化的一个关键技术就是多波长的解调检测方法，目前适用于f b g 传感 器阵列的解调技术主要采用两类：时分复用和波分复用。 ( 1 ) 时分复用 时分复用( t i l l l ed i v i s i m u n i p l e x i i l g ，1 d m ) 是通过测量光脉冲返回到探测系统的时间 来识别一根光纤上的多个f b g 传感器。在i d m 系统中，每个f b g 传感器的中心波长都是 一样的：同时要求每个f b g 传感器都有一个比较低的反射率，这样可以保证透过前面f b g 的光到达下游的f b g 传感器时仍然存在足够的光功率。对于t d m ，当环境改变时，从每个 f b g 传感器的返回时间将随之改变。t d m 技术是通过这些时阃漂移来反映被测参数的变化 的，如温度、应力等。这种方法的优势在于制作的传感器用的f b g 的成本比较低。对于f b g 制造商来说制作中心波长一致的f b g 和反射率低的f b g 相对比较容易，且成本低。但是随 着f b g 制作技术的不断进步，这种优势正在逐渐的减小。t d m 系统必须权衡考虑传感器采 样频率与光源到探测系统的距离。也就是说，在发送下一个光脉冲时。必须保证上一个光脉 冲已经从最远的传感器返回。f b g 传感器之间的距离必须大于一个特定值以便能清晰的辨 别相邻的f b g 。 ( 2 ) 波分复用 波分复用( w a v c l e n 啦d m s j o nm u l 印1 “i n g ，w d m ) 是在f b g 传感网络领域被广泛采用 的技术。波分复用( w d m ) 就是把不同波长的信号复用在一根光纤上传输，从而提高了光 纤带宽资源的利用率。显然这种方式的频谱利用率主要决定于：携带信息的光源的线宽和峰 值波长的间隔大小；其次是波分复用器件的性能。w d m 是通过波长来辨别各个f b g 传感 器的，这样就要求各个f b g 传感器的中心波长不能相同，必须存在一定的差值。分布式邝g 传感器是将传感光纤沿场分布，采用独特的监测技术。感知光纤传输路径上待测场( 如应力、 温度、压力等) 的空间分布和随时间变化的信息，而产生中心波长的改变。分布式f b g 应 力和温度传感是分布式f b g 传感器中研究最活跃的领域。大多数w d m 系统都包括两个基 本光器件配置：激光二极管光源和可调谐滤波器。 2 4f b g 解调系统方案论证 开展光纤光栅传感解调系统的研究，首先要确定解调方案。本章从解调系统的功能与系 统设计要求出发，在选定基本解调方法之后对整个解调方案进行了细化，组建了解调试验系 统。 2 4 1 系统功能与设计要求 f b g 光栅具有反射光为一特定波长的特点，并且反射光的波长随作用于f b g 光栅上应变 的变化而轻微移动，光纤f b g 光栅作为一种新型传感器来开发应用，必须首先解决光纤f b g 光栅反射光波长的精确测量。分布式多f b g 光栅传感器波长解调系统通过测量各测试点f b g 光栅传感器反射光波长的精细变化来测量各点的应变值。拟定实验系统的技术指标如下： 波长分辨率 5 p m 单根光纤上最大测试光栅数2 0 工作波长范围1 5 2 0 - 1 5 7 0 l 】m 8 第二章光纤布拉格光栅解调系统 扫描频率 1 - 2 0 0 h z 相邻光栅可区分波长间隔距离2 2 4 2f b g 解调方案 在前面所述的几种解调方法中，利用f - p 可调谐滤波器对f b g 传感器的波长进行解调的 方法，光能利用率高，具有灵敏度高，体积小，操作简单，适用于工程应用的特点，是一种 较好的解调方法。目前在工程应用方面被广泛采用。本系统的波长解调系统也是采用这个方 案。 基于波长解调的方法，根据可调谐滤波器位置的不同以及激光二极管光源的数量有多种 设计方案。无论在何种方案中，都使用了f - p 可调谐滤波器，由于这种滤波器对许多参数都 比较敏感，如温度、结构等，而且滤波器的输入电压和导通波长呈现非线性关系。在综合考 虑了其它解调方案的基础上，本系统通过在光路系统中设置参考光栅和标准具来消除可调谐 滤波器由于温度漂移导致的测量不准确。整个f b g 分布式解调系统的光路结构如图2 5 所示： 痤至卦 国圈母竺二惆 a r m 9 系统 图2 - 5f b g 波长解调系统光路结构图 在该解调系统中，在扫描控制信号的周期作用下，宽带光源中不同频带的光波周期性通 过滤波器，经过光耦合器分成两个支路。其中一路经过光隔离器和光耦合器入射到待测光栅 上，当入射光扫描到光栅中心波长时，经光耦合器反射到p 烈1 ( 光电二极管放大电路) ，被 转换为电信号并放大；另一路经光隔离器和光耦合器入射到标准具和一个参考光栅上，它们 所返回的中心波长被p i n 2 转换并放大，这一部分的作用是用来对可调谐f - p 滤波器进行标 定。 9 东南大学硕士学位论文 光路的标定部分通过标准具和一个参考光栅来实现。在一个扫描周期中，标准具将会反 射回5 0 个等间隔的波峰，每个波峰对应的扫描电压值难以确定，在引入了参考光栅后，将 会多出一个波峰，根据此波峰在标准具返回的5 0 个波峰中所处的位置，即可判定所有波峰 所对应的电压值。标定部分光路与待测光栅通过光耦合器共用同一个光源，节约了系统成本。 光路系统中的可调谐滤波器的扫描控制电压由a 跚9 系统控制的d a 芯片提供，整个光 路系统最终输出两路待测电压信号，即待测光栅输出的信号和标定电路输出的信号，必须将 这些模拟信号转换成数字信号，以供微处理器处理。在该系统中选用了自带a ，d 转换器的 a r m 9 微处理器，数据的采集、分析与处理由a 蹦9 嵌入式系统完成。 2 5 光路系统主要功能部件的选用 ( 1 ) 宽带光源 光源选用的是s u p e r l d i o d e sl t d 的s l d - 7 6 卜肝3 冷却型宽带光源模块。该模块包 括激光二极管( s u p e rl u m i n e s c e n td i o d e ，简称s l d ) 、温度传感器和热电冷却器 ( t h e r m o e l e c t r i cc 0 0 1 e r ，简称t e c ) 。 激光二极管的工作易受温度影响，如果温度过高甚至会损坏激光二极管，因此激光二极 管需要一个稳定的工作温度瓦。 s l d _ 7 6 1 - m p 3 冷却型模块中，s l d 的t n 是2 0 ，输入电流最大限制是2 3 5 n l a ，输出的 最大功率是2 m w ，s l d 的输出功率正比于输入电流，发射的不可见光的波长范围可以是 1 4 0 0 舢1 6 3 0 n m 。s l d 在t n o m 是2 0 的条件下，当输入电流2 3 5 m a 时，光谱中心波长是 1 5 5 1 3 m ，输出光谱有效宽度是5 0 6 m 。s l d - 7 6 1 肝3 的实物图及输出光谱如图2 邯所示。 图2 - 6s l m 7 6 l 伸3 的实物及输出光谱 ( 2 ) f - p 可调谐滤波器 卜p 可调谐滤波器使用的是m i c r o n0 p t i c s 公司的产品。卜p 可调谐滤波器中导通频带 的中心波长由法布里一珀罗谐振腔的长度决定。通过控制加在压电陶瓷上的电压可以改变腔 的长度。f _ p 谐振腔是由两个反射镜l 1 、l 2 和一段固定的空隙h 构成。f _ p 谐振腔的结构如 图2 7 所示。 l o n撙秀c卫ui l e 葛。a 万 l h 图2 - 7f _ p 谐振腔结构 f p 谐振腔可以看作是一个窄带滤波器，依据干涉效应，在一定波长范围内，若以平行 光入射到卜p 谐振腔，则只有满足相干条件的某些特定波长的光才能发生干涉。f - p 谐振腔 产生的光谱是窄线宽，尖顶型的光谱。在谐振腔内完成总相移为零的那些波长，可用如下公 式表示： 2 啾r = h ( 2 8 ) 一“ “一6 式中，n 是整数，h 是f p 谐振腔的腔长，其深长量与所加电压差成正比。满足上面公 式的波长能够形成稳定的振荡并输出等间隔的梳状波形。 f p 可调谐滤波器实物图如图2 - 8 所示： 图2 - 8 f p 可调谐滤波器实物图 ( 3 ) 标准具 标准具用于对波长的参考，可以实现精确到p 级的实时波长校准精度。本系统中的标 准具使用的是p r i m 8 n e x 公司的产品。标准具校准波长范围是1 5 2 5 5 7 9 m 一1 5 6 4 5 9 0 姗，带宽 1 0 0 g h z ，共有5 0 个通道，输出的等间距波峰的间距约为8 0 0 p m ，波长漂移小于1 2 5 g h z 标准具实物图如图2 9 所示。 圈2 9 标准其实物图 ( 4 ) 光电二极管 光电二极管是p i n 模块中的核心器件，将光信号转换为电信号。本系统中选用 p e r k i n e l m e r d 的单相p i n 光电二极管，该光电二极管适用于c 波段( 1 5 2 0 t 1 l n 1 5 7 0 珊) ， 1 5 5 0 的最小光谱响应是o 8 5 ，频带可达2 o g h z ，1 5 5 0 姗的典型偏振相关损耗p d l 是0 1 曲， 可以在一4 0 8 5 下正常工作。 东南大学硕士学位论文 第三章a r m 9 嵌入式系统 由于嵌入式系统的专用性、实时性，便携性，许多便携设备均采用嵌入式系统。在众 多的嵌入式系统中，基于a 】孙1 9 的嵌入式系统以其成熟、可靠和易于开发而受到越来越多 的欢迎。 本章分析了嵌入式系统和a r m 9 嵌入式微处理器，总结归纳了目前主要的几种嵌入式 操作系统，并对w e 操作系统做了简单介绍。 3 1嵌入式系统概述 嵌入式系统有多种定义，其中较为准确的定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计 算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本，体积、功 耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制，监视或管理等 功能【8 】。 和通用的计算机相比。嵌入式系统总是面向特定应用的，所以它的硬件系统具有以下 特性： 体积小，集成效率高； 具有面向某些特定应用的特点，对于另一应用需要重新设计硬件； 低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣条件下工作，故障恢复速度快。 软件是一个应用系统的灵魂，软件又是基于硬件基础开发的，所以嵌入式系统的软件 部分具有以下特性： 嵌入式软件的研发与硬件紧密相关； 代码要求高效率和高可靠性，出现故障能快速恢复； 软件固化在f l a s h 或者r o m 中，以提高执行速度和系统的可靠性 正是由于以上种种特点，嵌入式系统随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片 和功能更强的操作系统的出现，在很多领域得到了广泛使用，如军事电子设备和现代武器、 工业控制、网络通信设备，办公自动化和消费电子领域等。 在可见的将来，随着信息技术的发展，人类将进入一个全新的数字时代，数字化产品 将空前繁荣，嵌入式系统会被应用于更广泛的领域，和人们的生活结合得更加紧密。 3 2a 砌垤9 嵌入式微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能，影响着整个 系统的设计。嵌入式处理器的选择，制约了其外围器件的选择，也在很大程度上影响着系统 硬件功能的划分策略”j a r m 微处理器核技术是英国a r m 公司设计的一系列嵌入式处理器的标准。它广泛应 用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域已成为r i s c 标准。a r m 处理器核是系统中的引擎，它从存储器读取a r m 或者1 1 1 曲指令并执行这些指令。目前， a 鼢艘家族包括a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 1 r ，见表3 1 。 第三章a r m 9 嵌入式系统 表3 1a r m 9 家族产品 c 扯h e t i g h t l y m e i r yb u s t h u m b d s pj e e ( 1 s 佃4 协)c o u p l e dm g i m e f n 0 i v a r m 9 2 0 t1 6 k b 九6 k bm m ua s by 酩n o a r m 9 2 2 t8 k b 8 k bm m ua s by 矗n on o a r m 9 4 0 tf i x c d m m u a s bn on o 这一系列的处理器是种小型的高性能、低功耗、可集成的3 2 位l u s c 体系的嵌入式 微处理器，主要应用在下一代手持产品、视频电话、p d a 、数字消费产品、机顶盒、家用网 关等方面。它集成有1 1 1 曲1 6 位精简指令集扩展功能、调试功能和哈佛结构总线的内核。 在同样的工艺条件下，他的性能是a r m 7 1 d m i 性能的两倍以上。 其中，a r m 9 和a r m 7 系列的最显著的区别是流水线从3 级增加到5 级，同时具有分 开的指令和数据存储器，减少了在每个时钟周期内必须完成的最大工作，进而允许使用更高 的时钟频率。5 级流水线具体如下例： 取指：从存储器取出指令，并将其放入指令流水线； 译码：对指令进行译码； 执行：把一个操作数移位，产生a l u 的结果： 缓冲数据：如果需要，则访问数据存储器；否则a u j 的结果只是简单地缓冲1 个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水线流程； 回写：将指令产生的结果回写到寄存器堆栈，包括任何从存储器中读取的数据。 a r m 9 的5 级流水线和a r m 7 的3 级流水线相比，处理器的主要处理功能在增加的流 水线之间经过重新分配，使时钟频率在相同的工艺下得到了提高。如图3 1 所示： a r m 7 t d l u 秽t d i 取指令t b 啪b 解压缩l a r m 译码 r e g 读i 移位，a l u | r e g 写 l ，j ，t 、| i 取指令怕i 麟读l l 移位灿i i 黼li 麟写 图3 - la r m 7 和a r m 9 流水线操作对比 3 3三星s 3 c 2 4 1 0 x 处理器 基于以上对a r m 7 和a r l v l 9 系列处理器的比较，以及对系统性能的考虑，本课题决定 采用以a r m 9 系列处理器为核心的嵌入式开发平台。而三星s 3 c 2 4 1 0 x 处理器就是一款基 于a r m 9 2 叮标准的a r m 处理器。 s 3 c 2 4 1 0 x 处理器核由a r m 9 1 d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其 中m m u 可以管理虚拟内存。高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c h e 组成。 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统 控制以及测试控制。s 3 c 2 4 l o x 的主频可达2 0 3 瑚z ，扩展总线最大频率l o o 埘z s 3 c 2 4 l o x 的可扩展资源丰富，主要包括：1 个【c d 控制器( 支持s t n 和n 叮带有触 摸屏的液晶显示屏) ，s d r a m 控制器，3 个通道的u a r t ，4 个通道的d m a ，4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟，触摸屏接口，1 2 s 总线接口，2 个u s b 主机接口和1 个u s b 1 3 东南大学硕士学位论文 设备接口，2 个s p i 接口，s d 接口和m m c 卡接口，看门狗计数器，1 1 7 位通用i ，o 接口和 2 4 位外部中断源，8 通道1 0 位a d 控制器。s 3 c