（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的FBG解调系统的研究与设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于d s p 的f b g 解调系统的研究与设计 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。 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 础上提出了以可调光纤f - p 滤波器为基础的通用解调方案。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。由高速数字 信号处理器( d s p ) 构成的数字处理系统对光路解调中提取出来的信号进行数字 量化、分析，运用巴特沃斯数字低通滤波器对数据进行了滤波，并通过串行通讯 接口将所得数据传送给p c 机。论文对数字处理系统的软硬件进行了详细设计和 调试，给出了系统调试结果并进行了讨论。为了提高系统性能，论文还提出了一 种高精度的基于d a 输出控制f - p 滤波器的解调方案。 关键词：光纤光栅传感器波长解调d s p r e s e a r c ha n dd e s i g no fd e m o d u l a t i o ns y s t e mo ff b g s e n s o r sb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fl a r g e - s c a l eb u i l d i n ga n di n f 汹c t u r e si nc h i n a , n l o r e a n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h es t r u c t u r eh e a l t hd i a g n o s i s t h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n g m e t h o dc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc o n s t r u c t i o ni n d u s t r y a sf i b e ro p t i c a l s e n s o r sh a v eag r e a td e a lo fa d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lo n e s ，t h e yb e e , o m et h e i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nt h ea r e ao fs e n s o ra n di n s t r u m e n t i np a r t i c u l a r , t h eo p t i c a l f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ls e n s o r sa r ew i d e t yu s e di ne n g i n e e r i n gi nv i r t u eo ft h e i r p r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h ed e t e c t i n gp r i n c i p l eo ff b gs e n s o ra n d d i s c u s s e dt h er e l a t i v et e c h n i c a lp r o b l e m sf i r s t l ya n dt h e np u tf o r w a r das c h e m eo f w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o nb a s e do nf f p t u n a b l ef i l t e r as e to fw a v e l e n g t hr e f e r e n c e i si n v o l v e di nt h es y s t e ma sc a l i b r a t i o nt oc e r r e e tn o n - i d e a lp e r f o r m a n c eo ft h ef - p f i l t e r ad i 西t a ls i g n a lp r o c e s ss y s t e mb a s e do nh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o n v e r t e r sa n da n a l y s e st h ea n a l o gs i g n a lf r o mt h ec o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h e n t h ed a t aw a sf i l t e r e db yb u t t e r w o r t hl o w - p a s sm t e l a n ds e n tt op c i 0 4v i as e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo ru s b t h er e a l i z a t i o no f t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo f t h ed i g i t a ls i 2 删p r o c e s ss y s t e mi sp r e s e n t e da n dt h er e s u l t so f d e b u g si sg i v e ni nt h i s t h e s i s f u r t h e r m o r e ，ah i g hp r e c i s i o nd e m o d u l a t i o ns c h e m eb yd ac o n v e r t e ri sa l s o p r o p o s e d k e y w o r d s ：f b g ，w a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n ，d s p 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 牲日 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：牲导师签名陋、= 芏 日 期：p 6 - 3 f 口 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、大跨度空间结构、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，光纤布喇格光栅( 1 = 1 3 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“，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。 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，其研究和开发在世界范围内引起了高 度的重视，各国更是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0 6 j 。 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：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 公司婀。 我国在2 0 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、电子工韭部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 东南大学硕士学位论文 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f 1 2 】。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9 ”j ： ( 1 ) 在高温传感器领域，我国传统方法是采用铅铑丝熟电偶，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l j ，j ： ( 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： ( 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捧。 第二章讲述了光纤光栅的传感原理，包括布喇格光栅的解调方法和准分布式f b g 传感 网络的解调技术。 第三章为系统的方案论证，包括解调系统的光路连接、主要光学器件的选取和电信号的 采集和处理方案。 2 第一章绪论 第四章为解调系统的硬件设计。包括d s p 的结构及原理、供电电路的设计、外部存储 器的扩展和通信接口的设计等。 第五章为解调系统的软件设计，介绍了a d 采样、软件滤波和数字通信等软件的实现 以及系统整体软件框图。 第六章为高精度解调方案的设计，讨论并提出了提高系统测量精度的方法及具体设计方 案。 第七章为系统调试。将光路部分和电路部分整体集成，并连接温度传感器迸行了测试， 对测试结果进行了初步分析。 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 第二章光纤光栅传感原理 自1 9 7 8 年加拿大的h i l l 等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世 界上第一根光纤光栅和1 9 8 9 年美国的m e h 等人实现了光纤布喇格光栅( f b g ) 的u v 激光侧面 写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更 为广泛和深入。 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喇格波长或者特征 波长。其特征波长会随外界温度或者应变的影响而变化，这就是传感器工作的基本原理。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器所具有的优点之外，还有一些明显优于其他光 纤传感器的地方，其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。这一传感机制的好处在于： ( 1 ) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响： ( 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 ) 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行准分布式测量。 2 1 光纤布拉格光栅传感器的基本原理 光纤光栅( f b g ) 是利用掺杂光纤的光敏性，通过某种工艺方法( 通常是向g e 磁芯光纤 照射2 4 0 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，如图2 1 所 示 野g 垒擘q 入光光砰 图2 1 光纤光栅示意图 侍信号 。o , + k o b r a g g ( 布喇格) 栅( g e 磁芯光纤照射2 4 0 m m 左右的紫外线形成) 只起反射b r a g g 波长光 的b r a g g 反射滤波片作用，b r a g g 波长与外界温度、压力变化成正比因此，可做成温度、应 力分布式传感器。光纤光栅必须满足相位匹配条件： 口。一b ：ab；挈(2-1) a 为光栅周期：肛为耦合模的传播常数，前向传播为正，后向传播为负，a p 为耦合 模之间的传播常数差根据 的长短不同，周期性的光纤光栅分为短周期和长周期的光纤光 栅两类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) l p o - 之f 回产生能量耦合，形成特定波长为x 一的反射波，对于前向传播的l p o - 模b l - 。， 对于后向传播的l p o t 模p ，一脚- ，两耦合模的传播常数差舻2 踟l 较大，将这种光栅称为布拉格 光栅( f b g f i b e r b r a g gg r a t i n g ) ，反射光的中心波长k 称为特征波长，如图2 - 2 所示。 4 第二章光纤光栅传感原理 - 一芝三竺l 一，署警 。抛手 啊一一。詈 孽 蜘，氏舢詈 图2 - 2 光纤光栅中光波的传输特性 f b g 的反射光波中心波长为： 九b2 2n e fr 八 反射光带宽( 半峰值宽度) 反射率为 8 k = k = 锄2 ( 掣) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式中n 为纤芯的有效折射率：工为光栅长度：疋为纤芯折射率起伏；一l 为纤芯折射率。 f b g 中光波的传输特性如图2 3 所示由( 2 - 2 ) 式可知，f b g 的波长取决于光栅周期和反 向耦合模的有效折射率n e l l ，任何引起两个量改变的物理过程都将引起 t 的变化，在外界 信号如温度、应力场的作用下，光纤将产生轴向应变( 弹性形变) 和折射率变化( 光弹效 应) 。由( 2 - 2 ) 微分得 a 砧= 2 a 旷，a + 2 ， ( 2 5 ) 。逸7 医7 恒 图2 3 光纤光栅中光波的传输特性 f b g 中心波长受到外界信号( 被测量) 的调制产生了波长偏移，解调出波长变化h 便 可测得被测量。光纤光栅传感器可用于桥梁、飞机蒙皮，复合材料、温度、应力、位移等民 用和军事工业中，也可用于测量电流，在智能材料中的应用方兴未艾。 2 2f b g 的波长解调方法 如何检测传感光栅布喇格波长的微小偏移是光纤布喇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 5 东南大学硕士学位论文 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 匹配光栅滤波法是莆j 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，若与接受f b g 的反 射反射波长一致，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 m 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柬( 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 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，而被测量的信息在 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 滤波嚣法 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 1 ，s 2 ，s ”s n 。宽带光源照射光 纤时，每一个f b g 射回一个不同布喇格波长的窄带光波。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喇格波长的改变。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喇格波长相等时，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$ 9 f b g 例如s l 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交 6 第二章光纤光栅传感原理 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h 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喇格波长能得到 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。 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( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , t d l v 0 和波分复用 ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 。 时分复用( ) 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t 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 技术是通过这些时间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 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 。 波分复用( 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 原理就 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，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f b 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。 7 东南大学硕士学位论文 第三章f 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。 3 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盼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 一 一 ja d 模拟信号叫 s c llr s 2 3 缱信接口 图4 - 1 硬件系统整体结构图 在图4 - l 中，共有3 路模拟电压信号送入t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的a d 转换器，这3 路 模拟信号即图3 4 中的p i n l 、p i n 2 和扫描控制信号，在每次采样的时候，必须同时采集 三路信号。采样时，在每个扫描控制信号( 三角波) 的上升沿都要连续等间隔采集，由于 采样频率很高，数据量大，微处理器先将采样数据通过外部存储器接口x i n t f 2 和x i n t f 6 存储于外部扩展存储器中，即存储器1 和存储器2 ，每个存储器的大小都是5 1 2 k x l 6 b i t 。 数据采集完成以后，d s p 从外扩存储器中将数据取出，进行处理，处理后的数据按照事先 约定的通信协议发送到p c i 0 4 总线的工控机。与工控机的通信设计了两种接d - - r s 2 3 2 和 u s b 2 0 。2 8 1 2 内部自带串行通信接口s c i 模块，再外接一块c m o s 到2 3 2 电平的转换芯 片即为r s 2 3 2 通信接口：u s b 2 0 接口通过外部存储器接口x i n t f o 扩展一片u s b 通信 收发控制芯片i s p l 5 8 1 实现。2 8 1 2 的供电部分由调压芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 来管理。 本章将详细介绍硬件系统各模块的设计原理。 1 4 第四章基于d s p 的f b g 解调系统硬件设计 4 2d s p 原理及结构概述 4 2 1 数字信号处理器概述 d s p 是数字信号处理器( d i 鲥柚s i g n a lp r o c e s s ) 的英文缩写，是伴随着微电子学、数 字信号处理技术、计算机技术等学科的发展而产生的，是体现这三个学科综合科研成果的 新器件。由于其特殊的结构设计，可以把数字信号处理中的一些理论和算法实时实现，并 逐步进入微控制器( m c u ) 应用领域大部分的d s p 具有相似的架构，以下是对d s p 独 特架构的一些讨论。 d s p 主要以数字的方式来处理模拟信号，它通常是读入一系列信号值，对它们进行过 滤或一系列操作。d s p 通常是将常数和值进行加法或乘法运算后，先形成一系列条目，再 逐条地予以累加，它担当了一个快速倍增器累加器( m a c ) 的作用，并且常常在一个周 期中执行多次m a c 指令为了减少在建立串行队列时的额外消耗，d s p 有着专门的硬件 支持，安排地址提取操作数和建立一些条件，用以判断是继续计算队列的元素还是已经到 了循环的末尾。 d s p 的主要特点可以概括如下： 哈佛结构：在这种结构中，程序存储器和数据存储器相互分开，拥有各自独立的空 间，允许取指令和执行指令全部重叠进行；可以直接在程序和数据空间之间进行信 息传送，减少访问冲突，从而获得高速运算能力 用管道式设计加快执行速度：所谓管道式设计，即采用流水线技术，取指令和执行 指令全部重叠进行。d s p 通常有三级以上的流水线。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有八级流水线。 在每一时钟周期执行多个操作。d s p 的每一条指令都是自动安排空间、编址和取数。 d s p 支持硬件乘法器，使得乘法能在单个时钟周期内完成。 支持复杂的寻址：一些d s p 支持模数和位翻转寻址。以及其他一些运算寻址。这 使得一些算法易于实现，如快速傅里叶变换( f f t ) 。 面向寄存器和累加器：d s p 所使用的不是一般的寄存器文件，而是专用寄存器， 新推出的d s p 产品都有类似于r i s c 的寄存器文件。许多d s p 还有大的累加器 ( 4 0 b i t ) ，可以在异常情况下对数据溢出进行处理。 支持前、后台处理：d s p 支持复杂的内循环处理，包括建立起x 、y 内存和分坩 循环计数器。一些d s p 在做内循环处理中把中断屏蔽了，另一些则以类似后台处 理方式支持快速中断。许多d s p 使用硬件堆栈来保存有限的上下文，而有些则用 隐蔽的寄存器来加快上下文转换时间。 4 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 结构 d s p 器件的生命力主要取决于它在体系结构上不同于微控制器( m c u ) 的特点。以 1 1 的t m $ 3 2 0 f 2 8 x 系列芯片为例，图4 - 2 给出了t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 的内部功能模块 框图。t m s 3 2 0 f 2 8 x 属于f 2 0 0 0 系列，是f 2 0 0 0 系列最新型的d s p 芯片，有t m $ 3 2 0 f 2 8 1 0 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 两个型号，它们的内核设计都是一样的，片内存储器容量、片内外设和 主频也是一样的，只是后者有外部数据总线和地址总线，而前者没有，所以前者芯片面积 要比后者小很多，适合存储容量要求不高，空间有限的应用场合。 1 5 东南大学硕士学位论文 图4 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 内部结构框图 4 2 2 1 中央处理单元c p u 中央处理单元( c p u ) 负责进行程序流的控制和指令的处理，它完成数据的传送、执 行算术运算、布尔逻辑和移位操作等。当执行有符号的数学运算时，c p u 采用二进制补码 运算方式。 t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 的c p u 是一种低功耗的3 2 位定点数字信号处理器。它集中了 数字信号处理的诸多优点，具有精简指令集计算( r i s c ) 功能、微型控制器结构、固件 ( f i r m w a r e ) 及工具装置等。所谓数字信号处理的特性包括改进型的哈佛结构和循环寻址 方式等；所谓r i s c 特性是指单周期执行指令、寄存器到寄存器的操作以及改进型哈佛结 构等；微控制器结构的特点则包括使用直观指令简化操作、压缩和非压缩的字节应用以及 对位的操作等。这也正是t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 和其它型号的d s p 最大的不同之处，它 不是普通意义上的数字信号处理器，它是具有微型控制器功能的数字信号处理器，即具有 d s p 和m c u 的双重功能，也正是因为这样，本系统才决定采用t m s 3 2 0 f 2 8 x 作为系统的 主控单元。 t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 的c p u 内部集成多个处理单元，如硬件乘法器( m u l ) 、累加 器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅助算术单元( a r a u ) 以及d m a 控制器等。它们 都可以在单指令周期内执行完计算任务，并且这种运算往往是同时完成的，例如，当完成 1 6 第四章基于d s p 的f b g 解调系统硬件设计 一个乘法和累加的同时，辅助算术单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次的运 算做好了充分的准备。因为d s p 可以完成连续的乘加运算，而每一次的运算都是单周期的， 这种结构特别适用于滤波器的设计。如l i p 和f i r 。d s p 的这种多处理单元结构还表现在 将一些特殊算法做成硬件，以提高速度，典型的有f 丌的位反转寻址，语音的a 律、斗律 算法等。 4 2 2 2 多总线结构 徽控制器( m c u ) 一直存在两种基本结构：冯诺伊曼( v o nm e u m a n n ) 结构和哈佛结 构。冯诺伊曼结构具有单一总线，程序r a m 和数据r a m 都映射到同一空间，总线宽度 与c p u 类型相匹配，其取指令、取数据都是通过一条总线完成的，因此必须分时进行，在 高速运算时，往往在传输通道上会出现瓶颈效应。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总 线，d s p 内部一般采用的是哈佛( h a r v a r d ) 体系结构。它在片内至少有四套总线：程序的 数据总线，程序的地址总线，数据的数据总线和数据的地址总线。这种分离的程序总线和 数据总线，允许同时获取指令字( 来自程序存贮器) 和操作数( 来自数据存贮器) ，而互不 干扰，这就意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数，有的d s p 芯片内部还 包括有其它总线，如d m a 总线等，可实现单周期内完成更多的工作。对d s p 来说，内部 总线本身就是个资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。 t m s 3 2 0 f 2 s x 系列d s p 共有六条总线，分别是p a b 、p r d b 、d r a b 、d r d b 、d w a b 和d w d b 。其中p a b 是2 2 位程序地址总线，用来传送来自程序空间的读写地址。p r d b 是3 2 位程序读数据总线，p r d b 在读取程序空间时用来传送指令或者数据。d i 认b 是3 2 位数据读地址总线，用来传送来自数据空间的读地址。d r d b 是3 2 位数据读数据总线， 在读取数据空间时用来传送数据。d w a b 是3 2 位数据写地址总线，用来传送来自数据空 间的写地址。d w d b 是3 2 位数据程序写数据总线，在对数据空间或程序空间写数据时用 来传送数据。表4 1 表示了在存取期间时如何使用这些总线的。 表4 - 1 用于访问数据空间和程序空间的总线概况 存取类型地址总线数据总线 从程序空间读 p a b p r d b 向程序空间写 p a bd w d b 从数据空间读 d r a b d r d b 向数据空间写 d ，a bd w d b 程序空间的读和写是不能同时发生的，因为它们都要使用程序地址总线( p a b ) 。程序 空间的写和数据空间的写也是不能同时发生的，因为它们都要使用数据，程序写地址总线 ( d 、加b ) 。而运用不同总线的传输是可以同时发生的。例如，c p u 可以同时在程序空间 完成读操作( 使用程序地址总线p a b 和程序读数据总线p r d b ) ，在数据空间完成读操作 ( 使用数据读地址总线d r a b 和数据读数据总线d r d b ) ，以及在数据空间完成写操作( 使 用数据写地址总线d w a b 和数据程序写数据总线d w d b ) 。 4 2 2 3 中断系统 t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 的中断可以由软件激发或通过硬件触发( 来自某个引脚、一个 外围设备或片内外设) 。如果多个硬件中断被同时触发，d s p 就按照它们的优先级来提供 中断服务。每个中断，无论是软件中断还是硬件中断，都可归结为以下两类中的一种： 可屏蔽中断，这些中断可以用软件加以屏蔽或解除屏蔽。 不可屏蔽中断。这些中断不能够被屏蔽，t m s 3 2 0 f 2 9 x 将立即响应该中断并转入 相应的中断服务程序。 1 7 东南大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 的c p u 按如下4 个步骤处理中断。 1 接收中断请求。必须由软件中断( 从程序代码中) 或者硬件中断( 从一个引脚或 者一个基于芯片的设备) 提出请求去暂停当前主程序的执行。 2 响应中断。如果中断是可屏蔽的，则必须满足一定的条件，才能被响应。这些条 件会按照一定的顺序去测试，具体可见本节后面的介绍。而对于不可屏蔽中断， c p u 会立即响应该类中断。 3 准备执行中断服务程序并保存寄存器值。主要的执行过程如下： 1 )完整地执行完当前指令，清除流水线中还没有到达第二阶段的所有指令。 2 )将寄存器s t 0 ，t 、a l l 、a l 、p h 、p l 、a r 0 、a r l 、d p 、s t i 、d b g s t a t 、 p c 和i e r 的内容保存到堆栈中，以便自动保存主程序的大部分内容。 3 ) 取出中断向量井把它存入程序寄存嚣p c 中。 4 执行中断服务程序。c p u 调用相应的中断服务程序( i s r ) ，进入预定的向量地址， 并且执行已写好的i s r 。 t m s 3 2 0 f 2 5 x 系列d s p 的c p u 支持c p u 级上的1 个不可屏蔽中断( n m i ) 和1 6 个 可屏蔽优先级中断( i n t l i n t l 4 、r t o s i n t 和d l o g i n t ) 。但是d s p 中集成了很多片内 外设，每个外设都可以产生一个或多个中断请求，从而去响应多个外设级上的事件。这导 致在c p u 级上没有足够的能力去处理所有外设的中断请求，所以需要一个集中的外设中断 控制器，它可以对各种中断请求源作出仲裁。1 m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 引入了外设中断扩展 模块( p e r i p h e r a li n t e r r u p te x p a n s i o nb l o c k ，p i e ) ，它把许多中断源多路复用成一个较小的 中断输入集合，构成三级中断系统o i - 设级、p i e 级和c p u 级) 。p i e 模块支持9 6 个不同 的中断，这些中断被分成1 2 个组，每个组有8 个中断，每个组都被反馈到c p u 内核的1 2 条中断线的一条上。这9 6 个中断中的每一个都得到了各自向量的支持，这些向量被保存在 专用的r a m 块中并可以进行修改。c p u 响应中断时自动取出合适的中断向量，并且取出 向量和保存关键参数只需要9 个c p u 时钟周期，因此c p u 可以很快地响应和处理中断事 件，并可以在硬件和软件中控制中断的优先级。在p i e 块中可对每个中断分别使能或禁止， 见图4 3 。 p i e 向量表用来存储系统的各个中断服务子程序i s r 的地址。所有多通道中断和非多 通道中断中的每一个中断都有一个中断向量。在器件配置期间，用户要使用向量表并在操 作期间去修改它 i f r ( 1 2 f e r 1 21 ) i n r m 1 _ 7 l c p u rl w ， 一 ) u x 卜_ 0 ii n t 2二 j - 一 ： ii n t l l 一 li n t l ，二 g 蚓 l 7 f f 蛔( e r , a t a e ，。 一 一l m l 一一一 i n t ￥2 二j t f r x3 _ 瓢i m u x 二i n h 4 f r o m 一一 i n t x5 p h l p h l b o r e x t e m a i 一 f 盯x 6 h h 呻 一一 l n t y7 一 i n t tb ( e n a b l e f f 咖i p i f w r x ( 8 。”p i e l f r x i 81 ) 图4 3 利用p i e 模块对中断进行多路复用 1 8 第四章基于d s p 的f b g 解调系统硬件设计 图4 3 给出了所有多通道p i e 中断操作序列概况。 4 3d s p 供电电路设计和复位电路设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片需要给c p u 、f l a s h 、a d o 以及i ，o 提供双电源，即内核1 8 v 和 外围设备3 3 v 。上电期间，应该为所有模块复位，此外器件的上电和掉电也需要满足一些 要求 对于芯片的上电序列，1 1 提供了有两种选择： 第一种选择是外部电源模块首先使能v d d m ，然后是v d d 和v l ( 1 8 v ) 在这三个电 压开始往i s v 攀升的时候，f l