（光学工程专业论文）嵌入式光纤端面检测仪的硬件系统研究.pdf

中文摘要 使用活动光纤连接器时，光纤端面的洁净程度直接影响两根光纤连接质量， 从而影响光纤通信系统的信号传输。利用了嵌入式系统可裁剪以及低功耗、体积 小、集成度高的特点，基于实验室原有光纤端面检测系统成像系统，设计了嵌入 式光纤端面检测系统。本文研究了嵌入式光纤端面系统的硬件系统。采用高速的 嵌入式微处理器设计检测系统的核心处理系统。利用u s b 接口，通过成像系统 对光纤接头端面进行图像采集，并完成了图像显示系统。最后，测试了端面检测 系统的硬件性能，结合上层应用程序，对光纤接头进行图像采集、处理并给出相 应检测报告。 本论文主要完成一下几项工作： 1 从显微成像法检测光纤接头端面出发，结合嵌入式技术，充分考虑便携 式和智能化的特点，给出了嵌入式光纤连接器端面检测仪的总体设计方案，按其 功能可分为，微型貌成像部分、图像采集与存储部分、软件实现部分和显示部分。 2 设计并实现了测试仪的硬件系统，根据实际需要采用s 3 c 2 4 4 0 a 为嵌入 式微处理器，确定了存储器以及其他芯片的选型，并完成了最后的焊接、调试以 及仿真工作。 3 讨论了流接口驱动的模型和实现方式，实现了图像采集模块的流接口驱 动程序；根据应用需要和硬件系统资源，进行了w i n d o w sc e 5 0 嵌入式操作系统 定制与调试。 4 完成了硬件系统与嵌入式操作系统的整体测试，并验证了c m o s 图像采 集模块驱动程序的功能实现。对测试仪光学成像系统进行了测试，最后结合上层 图像处理程序完成了系统的整体功能实验。 关键词：光纤连接器端面嵌入式系统w i n d o w sc e 5 0 流式接口驱动 a b s t r a c t w h e nf l e x i b l ef i b e rc o n n e c t o ri su s e d t h ec l e a n n e s so ft h ef i b e re n df a c ew i l ld i r e c t l y i n f l u e n c et h eq u a l i t yo ft h ec o n n e c t i o na n da l s ot h es i g n a lt r a n s i t i o no ft h ef i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ef o r m e rd e t e c t i o ns y s t e mi nt h el a b ，t h i sp a p e r a p p l i e st h ee m b e d d e ds y s t e mi nt h ed e t e c t i o no ft h ef i b e rc o n n e c t o re n df a c e ，t a k i n g f u l l a d v a n t a g eo fc r o p p i n go fs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o n c o m p a c t n e s sa n dh i g h l yi n t e g r a t e do fe m b e d d e ds y s t e m t h i sp a p e ra l s od o e ss o m e r e s e a r c ho nh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e df i b e re n df a c ed e t e c t i o ns y s t e m h i g hs p e e d e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ri su s e di nt h ek e yp r o c e s s i n go ft h es y s t e m t h eu s b i n t e r f a c ei su s e dt oc o l l e c tt h ei m a g e so ft h ee n df a c eo ft h ef i b e rc o n n e c t o r , t h e s y s t e mc a nd i s p l a yt h ei m a g e a tl a s t , t h ep a p e rt e s t st h ef u n c t i o no fh a r d w a r eo ft h e d e t e c t i o ns y s t e m ，a n dr e p o r t st h ei m a g ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gf u n c t i o no ft h ef i b e r c o n n e c t o rc o m b i n e dw i t ha p p l i c a t i o np r o g r a m t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so n ： 1 a st h et e c h n o l o g yo fm i c r oi m a g i n gi su s e di nf i b e ro p t i cc o n n e c t o re n df a c e d e t e c t i o n ，t h ep a p e rc o n s i d e r sf u l l yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fp o r t a b l ea n d i n t e l l e c t u a l i z e do fe m b e d d e ds y s t e m ，p r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g no fe m b e d d e df i b e r o p t i cc o n n e c t o re n df a c ed e t e c t o r t h es y s t e mc a nb es e p a r a t e di n t of o u rp a r t s ： m i c r o - p r o f i l ei m a g ep a r t ，i m a g ec o l l e c t i o na n ds t o r a g ep a r t ，s o f t w a r ep a r ta n dd i s p l a y p a r t 2 t h es y s t e md e s i g n sa n di m p l e m e n t st h eh a r d w a r eo f t h ed e t e c t o r , a d o p t s $ 3 c 2 4 4 0 a a st h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rb a s e do nt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，s e l e c t st h e s t o r a g ea n do t h e rc h i p t h ew e l d i n g ，d e b u g g i n ga n ds i m u l a t i o no ft h eh a r d w a r eh a v e a l s ob e e nf i n i s h e d 3 t h em o d e lo fs t r e a mi n t e r f a c ed r i v i n ga n di m p l e m e n t a t i o na r ef u l l yd i s c u s s e d i m a g ec o l l e c t i o nm o d u l ea n d s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e ra r ea l s oc a r d e do u t c o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n ta n dh a r d w a r er e s o u r c e ，c u s t o m i z a t i o na n dd e b u g g i n go f w i n d o w sc e 5 0e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mh a v eb e e nd o n e 4 t h et e s to fh a r d w a r es y s t e ma n de m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nd o n e t h e p a p e rt e s t sa n dv e r i f i e st h ef u n c t i o no ft h ec m o si m a g ec o l l e c t i o nm o d u l ed r i v e ra n d t h eo p t i c si m a g i n gs y s t e mo ft h ed e t e c t o r , a n da l s of i n i s h e st h ew h o l ef u n c t i o nt e s to f t h es y s t e mc o m b i n i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n gp r o g r a m k e yw o r d s f i b e rc o n n e c t o re n df a c e ，e m b e d d e ds y s t e m ，w i n d o w sc e5 0 ， s t r e a mi n t e r f a c ed r i v e r 独创性声明 本人声明所呈交的：掌韭，论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 ，一 研究成果，除了文中特别加以标注和敛谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包矗为荻褥：基盔盘堂哉其他教吾机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同j i = 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， 学位论文作者签名：韩丁 签字日期：歹伊9 年罗月矽乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者繇韩丁 翩躲、耘 签字日期：如哆年i 月7 占同 签字日期：一年罗月自签字日期：一年歹月咱 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 1 9 6 6 年，美籍华人高锟博士( c k k a o ) 和霍克哈姆( c a h o c k h a m ) 发表 论文，预见了低损耗的光纤能够应用于通信敲开了光纤通信的大门。从此光纤在 通信中的应用引起了人们的重视，很快在1 9 7 0 年8 月美国康宁公司首次研制成 功损耗为2 0 d b k m 的光纤，光纤通信的时代由此开始了。与传统的电通信相比， 光纤通信是以很高频率的光波作为载波，以光纤为传输介质的通信。由于光纤通 信具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等 优点，自其出现以来就备受业内人士的青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传 输容量从1 9 8 0 年到2 0 0 0 年这2 0 年间增加了近一万倍，传输速度在过去的1 0 年 中大约提高了1 0 0 倍。目前我国长途传输网的光纤化比例已超过8 0 ，预计到 2 0 1 0 年，全国光缆建设长度将再增加约1 0 5 k m ，并且将有1 1 个大城市铺设1 0 g 以上的大容量光纤通信网络 2 1 。 在光纤通信中以及其他的各种光纤应用中，安装任何的光纤系统时，都必须 考虑以低损耗的方法把光纤互连起来，以实现光信号持续传输，光纤的活动连接 是靠光纤连接器来实现的【3 】。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密的对接起 来，以便发射光纤输出的光能量能够最大限度的耦合到接收光纤中去，并使由于 其介入光链路而对系统造成的影响最小【4 捌。正是由于光纤连接器的是使用，使 得光通道间的可拆式连接成为可能，从而为通信中提供了测试入口，方便了光纤 系统的调试和维护；又为网络管理提供了媒介，使光纤系统的转接调度更加灵活。 由此可见光纤连接器应用于各种光纤系统中，是应用最广泛的光纤无源器件，因 而光纤连接器光纤端面的质量检测对于光纤系统将具有重要的意义。 光纤连接直径大约几十个u m ，连接精度是最需要解决的问题，直接影响光 纤连接器的连接损刺铺】。人们认识到连接器的光纤端面几何形状和洁净程度对 连接器的性能有决定性的作用，于是通过研磨的方法加工出各种特殊的光纤端 面，这些端面按形状的不同可分为：p c 型、u p c 型、a p c 型【引。但是在光纤端面 的研磨过程中的光纤表面划痕、球面顶点偏移，以及后期使用过程中的光纤端面 氧化和污损，都会造成连接器光纤端面不同程度的缺陷，影响光纤系统的连接精 度。为了确保连接器的性能稳定，光纤端面的质量参数对于连接器起到关键作用。 控制光纤端而的质量参数，如表面划痕、表面粗糙度、偏心、污损等，可以使光 纤连接器的性能有进一步的提高l l 叭。我们可以对这些参数如何影响光纤活动连接 天津大学硕士学位论文第一章绪论 器的性能指标做一个简单介绍。 光纤连接器的性能指标首先是指光学性能，光学性能包括插入损耗( i n s e r t i o n l o s s ：i l ) 和回波损耗( r e t u r nl o s s ：r l ) 0 1 1 。插入损耗定义为光纤中的光信号 通过连接器之后，其输出光功率相对输入光功率的比例的分贝数，其表达式为 i l = - 1 0 1 9 x ( e o p f x 凹) ( 1 1 ) 式中：p i 输入端的光功率；p r 输出端的光功率。 回波损耗是衡量从连接器反射回来并沿输入通道返回的输入功率分量的一 个量度，其定义是在光纤连接处，后向反射光相对于输入光功率的比率的分贝数， 其表达式为 r l = - 1 0 l g xi p r p i x d b ) ( 1 2 ) 式中：p r 一后向反射光功率；p i 输入光功率【1 2 】。 在光纤连接活动中插入损耗越小越好，回波损耗越大越好，理论上是高插入 损耗一般对应低回波损耗，低插入损耗则一般对应高回波损耗。但是由于插入损 耗光功率的数量级远大于回波损耗光功率的数量级，因此上述规律并非是绝对 的。实际上回波损耗的大小主要取决于能否把反射光尽量旁路掉，这跟连接器插 针端面的结构有很大关系 1 3 , 1 4 1 。为方便起见，一下只讨论插入损耗的影响因素。 插入损耗是由光纤固有损耗和端接损耗引起的。光纤固有损耗主要包括光纤 吸收损耗和瑞利散射损耗，目前光纤制造技术可以使光纤的固有损耗在1 5 5 0 n m 附近降n o 2 d b k m ，因此一般固有损耗几乎可以忽略不计，插入损耗主要取决于 端接损耗，即光纤跳线通过连接器连接而引起的损耗u 5 , 1 6 。根据标准，插入损耗 是使用标准跳线与被测光纤活动连接器相连，来测量光纤活动连接器的插入损 耗。考虑到标准跳线一般是非常规范的，因此端接损耗主要取决于被测光纤活动 连接器。端接损耗过高的原因主要体现在以下几个方面：1 ) 研磨不充分，2 ) 光 纤偏心，3 ) 端面损坏或有污物，4 ) 光纤纤芯凹陷或凸出i l7 1 8 j 。 由于决定光纤连接器光学性能指标的最根本因素是光纤连接器端面的质量， 特别是其中光纤端面的质量。如果能从光纤连接器的端面形貌和端面洁净度着 手，对连接器进行定量的检测。以提供光纤端面的详细资料，做出综合评价，就 能可靠的评价光纤活动连接器的质量水平，并最终能够保证光通信系统的稳定可 靠。 1 2 光纤端面检测方法概述 本研究中的光纤连接器端面检测技术属于微表面结构的测量范围。微表面结 构测量一般都需要借助直接或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 分辨率。对于微表面的测量技术按照工作原理的不同，大致可以分为五种，分别 是机械探针式测量方法、光学探针式测量方法、干涉显微测量方法、扫描电子显 微镜、以及扫描探针显微镜 1 9 , 2 0 。针对光纤连接器端面这种特殊的被测对象，应 用最为广泛的测试方法有干涉法和显微成像法【2 1 1 ，两种方法都已经应用于不同类 型的光纤端面检测仪中，下面作以简单介绍。 1 2 1 干涉检测法 采用光学干涉显微术测量光学连接器的端面时，主要的方法是利用相移干涉 技术获得光纤连接器端面形貌，通过分析形貌数据得到光纤连接器的端面形貌以 及各几何参量。目前在干涉测试系统设计方面采用最多的是用斐索型光路和泰曼 格林型光路两类方案来实现【2 2 】。 斐索光路如图1 1 所示，属于等厚型干涉光路，常用于光学器件表面质量检 查，斐索干涉仪按测量对象可以分为平面干涉仪和球面干涉仪 2 3 1 ，图中给出的是 平面干涉的情况。 图1 - 1斐索干涉光路 斐索干涉仪的特点是测试光臂和参考光臂重合，干涉仪的实际结构也可以做 成参考端和测试端一体的构造，这样可以达到较高的抗震性能，同时也能使干涉 仪体积相对较小【2 4 1 。但斐索干涉仪的缺点是参考端和测试端非等光程，必须使用 相干长度较大的单色光激光光源。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 泰曼格林干涉仪是迈克尔逊干涉仪的改进型，用于检验光学零件或光学系统 的综合质量。检验原理是通过研究光波波面经光学零件后的变形来确定零件的质 量，泰曼格林干涉仪的光路如图1 2 所示。泰曼格林干涉仪和斐索干涉仪显著的 不同点就是参考光路和测试光路的分离2 5 1 。 e 图1 - 2 泰曼格林干涉仪光路图 将干涉法应用于光纤连接器端面的检测中，是目前端面检测的重要方法之 一，图1 3 中采用了泰曼格林干涉光路而设计的光纤连接器端面检测装置。装置 中通过c c d 进行干涉条纹的采集，a d 转换后送至计算机中进行处理，利用相应 的算法得到光纤端面的质量参数【2 6 ，2 7 1 。 q 埘嬲墩掌 图1 3 干涉法测量连接器端面的装置原理图 天津大学硕t 学位论文第一章绪论 为了过得连接器的端面形貌，采用光学干涉显微术，目前普遍采用的求解相 位的方法主要有两类：一类是傅立叶变换法，将干涉条纹逐行傅立叶变换，经频 域带通滤波，并取出一级谱作反变换，从而求出相位分步。另一种是相移技术， 它是通过相移器在参考光中引进已知相移量，人为的改变俩相干波的相对相位， 从干涉场中一点在不同相移量下的光强值来求解该点相位【2 引。该方法需要相移器 和多幅相移图，根据相移次数不同，目前用二步，三步和四步等不同相移方法， 为了实现相移，参考光路中的平面反射镜在微位移器的驱动下，样品相对于参考 面移动，当采用四步相移术时【2 9 】： t a n b ，y ) = 1 4 一，2 郎1 一1 3 ) ( 1 3 ) 式中：五，厶，厶，厶为每次相移万2 ，在0 2 万范围内作四步阶梯调制时的4 幅光强 分布，矽( z ，y ) 表示端面各点的相位差，由此算出端面微观高差分步： 办g ，y ) = 丢痧g ，y ) ( 1 - 4 ) 一旦获得了抛，y j 分步，就可以进一步做数据分析，给出待测端面的二维截 面图以及三维相貌图，并提供各种纵向、横向评定参数值。通过跟踪峰值或者中 心条纹，计算机能够标定每一点的高度值，甚至当高度有突然变化时，也可做到 这一点。因为该方法给出了待测端面的二维截面图和三维形貌图，故只要有相应 的算法，就可以从中得到光纤端面的表面划痕、曲率半径、光纤高度等参量【3 0 】。 1 2 2 显微成像法 显微成像法已经广泛的应用于光纤连接器光纤端面的检测中，在真正实施的 过程中，可以显微成像法可以分为两个方向，一种测试方法是利用显微成像法对 光纤端面进行成像，同时在显示器中进行显示，测试者根据光纤端面的成像情况 判断连接器断面的质量，这种方法比较简单实用；另一种方法是利用显微镜将连 接器端面成像在高分辨率的c m o s 或c c d 上，然后将成的像采集到计算机中，运 用计算机对得到的像进行图像处理，主要包括图像分割、平滑去噪声、图像二值 化、几何计算以及像素标定等步骤，求出光纤端面的参数。可以说第二种方法是 第一种的发展，也是显微成像法的重要应用之一，在本课题的研究中借鉴了第二 种方法，同时结合了嵌入式技术，使得设备体积减小，检测方法更加方便，检测 过程更加智能。 显微成像法检测光纤端面的装置框图如图1 4 所示，目前比较传统的方式还 是利用计算机进行采集和图像处理，这给仪器的小型化和便携式带来很多不便， 天津大学硕士学位论文第。一章绪论 利用嵌入式技术可以充分解决这些问题，后面有详细介绍，这里不再赘述。 图1 - 4 显微成像法检测装置框图 图像处理 图像采集后的处理，是显微成像法检测的重要环节，下面作以简单介绍。通 过光学显微镜对光纤连接器端面放大之后，用c m o s 或者c c d 成像，通过计算机 采集到的端面图，对图像处理时一般要进行以下几个步骤，分别是对比度增强、 平滑去噪声、图像二值化、图像分割掣3 1 】。 ( 1 ) 对比度增强从c m o s 或者c c d 获得的光纤连接器端面图像除了光纤纤 芯、包层的同心圆还包括了许多背景和噪声，首先要做一些预处理才能对图像进 一步计算。在预处理中系统最开始的工作便是对采集图像进行对比度增强，使纤 芯和包层与背景之间的轮廓更清晰。 ( 2 ) 平滑去噪声在对光纤连接器进行检测时，c m o s 或者c c d 本身会产生 一些噪声，同时外界的受力或者抖动等其他因素也会产生噪声，绝大多数是随即 性的。这些噪声对某一点的影响，都可以看做是孤立的，因此和临近各点相比， 该点灰度值将有显著不同。基于这种分析，可以用所谓领域平均的方法，来判断 每一点是否含有噪声，并用适当的方法消除噪纠3 2 】。一般可以用如下的公式表示： r1818i i q , y ) ： 吉善q当卜少) 一言善q 1 ) 耐 ( 1 - 5 ) i 厂b ，y ) 其他 式中，g ，少) 表示( x ，y ) 点的实际灰度，q ( i = 1 ，2 ，8 ) 表示其邻接各点的 灰度；称为门限，它可以根据对误差容许的程度，选为图像灰度均方程盯的若 干倍，即 占= k 盯 ( 1 6 ) ( 3 ) 图像二值化 图像在进行平滑去噪声之后，把2 5 6 个灰度级的b m p 图进 行二值化，二值化处理是把某一灰度值t 作为门限，凡是超过这个门限灰度的像 元，使之灰度变为1 ，即最强，低于t 的像元，则使之变为0 ，即最暗，设图像 f ( 冯y ) 增强后为g ( k y ) ，则可以用一下公示表示 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 删= $ 凳端 m ， ( 4 ) 图像分割利用图像分割法寻找同心圆区域图像处理最关键的部分，软 件实现中一般采用哈夫变换来进行分割。哈夫变换寻找躅区域是基于圆的定义公 式 旺一d r + 伍一卵= ，2 ( i - 8 ) 其中，( k y ) 为圆周上任意一点的坐标( 曲) 为圆心坐标，r 为半径。 通过哈夫变换就可以得到光纤的同心圊区域，这样就可以利用相关算法进一 步计算出光纤端面的参数，包括一些几何参数，给出光纤端面质量的详细信息。 1 3 光纤端面检测的研究状况 在当今的信息社会中，光纤技术飞速发展，光纤通信成为了现在的主流技术。 任何的光纤系统中都会用到光纤连接器，通过前面的分析，可知光纤连接器端面 的质量是影响光纤连接精度的重要因素，光纤连接器端面的检测受到了各大公司 以及各高校实验室的重视，e l 前正在研究此领域的高校和单位，国内有中国科学 院上海光学精密机械研究所、浙江大学、南京理工大学和天津大学等，国外有p r i o r s c i e n t i f i c 公司以及e d m u n d n d u s n i a l o p t i c s 公司等。 光纤连接器端面的检测技术主要有显微成像法和干涉法，因此在进行研究和 仪器化的过程中，根据实际的应用情况，选择不同的检测方法。其中显微成像法 中也包括了两类产品，区别主要在于是否进行后期的图像处理，而目前的大多数 显微成像法的检测仪器都没有后期的图像处理功能。例如上海椿东实业有限公司 生产的l e 2 6 2 型光纤端面检测仪“，如图1 - 5 所示。该产品通过显微放大后c c d 成像，在显示器中可以观察光纤端面的质量，技术参数中放大倍率为 2 0 0 4 0 0 x 8 0 0 x ，系统分辨率为4 5 0 1 p m m 重量为8 k g 。 图1 - 5l e 2 6 2 型光纤端面检测仪实物图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 p r i o rs c i e n t i f i c 公司生产的v i d e of i b e r v i e w e r 台式光纤端面检测仪，该检测仪 主体机箱的外形尺寸为6 4 m m ( w i d t i i ) x 7 6 m m ( l e j 咖) 1 7 8 m m ( l e n g t h ) ，重1 3 k g ， 光学放大倍率为1 0 2 0 x 。采用的同样是显微成像技术通过c c d 成像后在液 晶显示器显示，观察光纤端面的成像进而判断其质量参数。 还有一类产品是利用干涉法检测光纤端面，搭建相应的干涉光路，通过相应 的算法对得到的干涉条纹进行处理，最后得出光纤端面的几何参数以及质量参 数。主要的产品有中国科学院上海光学精密机械研究所研发的光纤连接器端面几 何参量自动检测仪日”，其实物图如图l _ 6 所示，采用寨曼一格林式干涉光路和移相 干涉术获得光纤连接器端面形貌，利用步进相移算法对干涉条纹进行处理，得到 光纤端面的参数，主要是几何参数。 图i - 6 光纤连接器端面几何参量自动检测仪 表1 - 1 概括了分别采用显微成像法和十涉法韵检测仪的特点，并进行了简单 表1 1 采用两种方法检测仪器的特点比较 经过对比分析可以得出结论- 大部分的显微成像法检测仪，检测者根据经验 天津大学硕士学位论文第一章绪论 进行判断，没有统一判断标准，同时也不够智能，有待改进。同时对于光纤端面 的检测，如果进行后期的图像处理，那么都必须在计算机上进行，这样就使系统 复杂化而且体积庞大，对于检测环境有了比较严格的要求，在户外或者狭小空间 就很难应用。另一方面干涉法检测仪其干涉光路比较复杂这样使系统体积进一步 加大，不利于便携式的灵活测量。 本研究采用显微成像法与嵌入式技术相结合的方案，这样就可以充分解决上 述问题。嵌入式系统是以实际应用为中心，以现代计算机技术为基础，软硬件可 裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有严格要求的专用计算 机系纠蚓。本课题的重要特点和意义在于，首先采用显微镜与a r m 嵌入式技术 结合，大大减小了设备体积，实现了便携式；其次采用高速的处理器进行图像处 理，做到光纤端面检测的自动化智能化；最后利用国际检测标准，给出端面质量 检测报告。 1 4 论文的主要内容 论文基于嵌入式技术设计了光纤连接器端面检测系统，充分利用了嵌入式系 统的可裁剪性，可实现对光纤连接器端面的检测。 论文的主要内容： 第一章：绪论。介绍了光纤端面检测在实际的光纤通信中特别在光纤连接中 的重要性，以及目前应用比较广泛的几种检测仪器的实现原理。结合嵌入式系统 的发展和未来趋势，提出了目前光纤端面检测中的不足和改进设想，最后介绍了 本论文的研究目的和主要内容。 第二章：嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案。根据光纤端面检测系 统的实际要求给出了系统的设计方案，详细介绍了光纤端面检测系统的构成。设 计了组成系统的成像部分、图像采集与存储部分、软件实现部分以及显示部分， 其中特别介绍了端面成像部分的组成及原理。具体的提出了硬件平台和软件部分 的功能要求和性能指标，并给出了实现的方法。 第三章：硬件系统设计。详细介绍了光纤端面检测系统中硬件部分的设计， 根据系统的性能要求给出了硬件的设计指标，结合实际的应用和设计指标，提出 了硬件平台的整体设计原理。硬件平台中按功能部分划分包括：嵌入式微处理器 模块、存储模块、通信接口模块、显示系统模块以及电源管理模块。分别具体介 绍了各个模块的外围电路和接口电路的设计，并给出了相应芯片的具体型号及参 数要求。 第四章：嵌入式w i n d o w sc e 操作系统及设备驱动程序的设计。简单介绍了 天津大学硕士学位论文第一章绪论 所采用的w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的特点和功能，并且根据本文中具体平台 的功能要求，对操作系统进行相应的裁剪和调试。分析了w i n d o w sc e 下流接口 驱动的原理和设计方法，并给出了各接口函数的参数异议和函数功能，最后根据 u s b 设备驱动程序模型，编写了图像采集模块的驱动程序，并对重要的代码部 分做了详细解释，给出了软件功能流程图。 第五章：阐述了硬件的测试方法，完成了对系统电源部分、时钟部分、通信 端口部分以及复位系统部分的测试，并给出了测试结果。最后结合软件和硬件系 统对光纤端面检测系统进行了整体调试，并对采集的到的图像进行了相应的处理 和显示。 第六章：总结与展望。对论文的主要工作进行了总结，并且对今后工作的重 点和方向进行了展望。 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计打睾 第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 嵌入式光纤端面检测系统结合了当前的前沿技术，充分利用了嵌入式系统软 硬件可裁剪、可靠性高以及体积小等特点。根据系统的功能以及实际应用的要求 本章给出了系统的总体设计方案，同时也提出了系统中各个组成部分的性能要求 和实现方法。 2 1 嵌入式系统体系结构 根据国际电气和电子工程师协会( 1 e e e ) 的定义，嵌入式系统是啦制、监 视或者辅助设备、机器和车间运行的装置“( d e v i c e su s e d t oc o n t r 0 1 m o n l t o r , o r a s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t | m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。般而吉，整个嵌入式系 统的体系结构q 以分成四个部分；嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作 系统和嵌入式应用软件翊，其结构如图2 1 所示： t 式应用敏骨 蕾 式攮作系缱 墨曩田 嵌 盎硬件平台 圈2 - 1 嵌入式系统体系结构 2 1 1 嵌入式系统硬件平台 嵌入式系统硬件平台的组成 由于嵌入式系统是计算机结构中的一个分支所以它在硬件上的组成与标准 的计算机类似，其中最主要的部分也是微处理器。与标准的计算机结构相同，嵌 入式系统中也包含了中央处理器、内存、输入输出设备，只不过在嵌入式系统 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 里，这些单元以比较特殊的形式存在。例如，计算机的标准输入设备是键盘，但 在一些嵌入式设备中的标准输入设备可能就是它的触摸屏。 硬件平台主要是嵌入式处理器及其控制所需要的相关外设。就目前情况来 看，3 2 位处理器是嵌入式处理器的主流，主频常在4 0 m h z 以上，当然也有超过 4 0 0 m h z 的高端处理器。多处理器组成的平台、多内核处理器平台也被组建出现 在嵌入式领域。不过，现在大量使用的仍然是3 2 位单处理器组成的平台。一个 比较典型的硬件平台如图2 2 所示，可以看出除了处理器以外，一般还有时钟、 复位、中断控制器、s d r a m 控制器和外围总线控制器。 图2 2 硬件平台基本组成结构 嵌入式微处理器 嵌入式系统硬件平台的核心部分是嵌入式处理器，据不完全统计，流行 的体系结构有3 0 多个系列。如果从字符宽度来区分：8 位微处理器大部分 都是用于低端应用上；1 6 位的微处理器通常用在比较精密的应用上，需要 比较长的字符宽度来处理；3 2 位微处理器，大部分是r i s c 的微处理器，则 提供高性能的运算能力，以满足需要大量运算的应用。从应用角度来看， 嵌入式处理器包含了一下几种类型，分别是嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 、嵌 入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 、嵌入式片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ) t 3 s 】。 l 、嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具 有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计 算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相 关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有 体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式微处理器可以分为c i s c 和r i s c 两类，所熟知的a r m 处理器是r i s c 体系结构。 2 、嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从7 0 年代末单片机出现到今天， 虽然已经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备 中仍然有着极其广泛的应用。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特 点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控 制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰 富，适合于控制，因此称微控制器。 3 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令 算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数 字滤波、f f t 、谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 4 、嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) 随着v l s i 设计的普及和半导体技术的迅速发展，可以在一块硅片上实 现一个更为复杂的系统，这就是s o c ( s y s t e mo n c h i p ) 。s o c 最大的特点是 成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言， 实现一个复杂的系统。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统 就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性， 提高了设计生产效率。 2 1 2 嵌入式操作系统 操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ) 的基本思想是隐藏底层不同硬件之间的差异， 向在其上运行的应用程序提供一个统一的调用接口。应用程序通过这一接口实现 对各种硬件的使用和控制，不必在考虑不通硬件操作方式的差异。这样软件设计 人员就不必关心具体硬件的操作细节，能够专注于所擅长领域的开发，其原理如 图2 3 所示。操作系统主要完成三项任务：内存管理、多任务管理和外围设备管 理，这三项机制提供给应用程序设计者许多良好的特性【3 9 】。 天津太学硕士学位论文 第- 章嵌入式光纤端面检渊系统的原理及设计方案 应用程序 操作系统 硬件酣r i 图2 4 操作系统示意围 系统界面 驱动程序 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 负责嵌入式系统的全部软硬 件资源的分配、调度、控制、协调；必须能够体现出其所在系统的特征，能够通 过加载，卸载某些模块来达到系统所要求的功能。e o s 主要是相对于一般的操作 系统而言的它具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中 断处理、文件处理等外，还拥有一些其白身特点【蚰1 。 嵌入式操作系统主要特点有咀下几个方面：强稳定性，弱交互性，嵌入式系 统一旦开始运行就不需要用户过多的干预这就要求要求负责系统管理的e o s 具有很好的稳定性，较强的实时性。嵌八式系统中大部分都有较好的实时性，对 于各种事件能够实时的做出处理，因而可用于各种设备的控制当中。操作系统之 所以能够满足各种不同硬件和应用领域，主要的原因在其可伸缩性、可裁剪行， 根据实际应用，对嵌入式系统做出台适的裁剪。目前在嵌入式系统中比较流行的 几个操作系统如表2 - 1 所示，其中也给出了各操作系统各自的特点以及应用领域。 表2 - i 常见的嵌 式操作系统“1 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 嵌入式实时操作系统 尽管不同的应用场合会产生不同特点的嵌入式操作系统，但是都会有一个核 心( k e r n e l ) 和一些系统服务( s y s t e ms e r v i c e ) 。操作系统必须提供一些系统服 务功应用程序调用，包括文件系统、i o 存取服务、中断服务、时间( t i m e r ) 服 务等，设备驱动程序则是要建立在i o 存取和终端服务上的。根据实时性的差别， 嵌入式系统可以分为实时型操作系统和通用型操作系统，两种类型的操作系统的 不同特点将是系统设计中选择相应操作系统的重要依据，通过分析比较，嵌入式 实时操作系统有一下几方面的优势。 1 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方 面的考虑，不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在 软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患。长 期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行的程序产生异常、出错、 甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只 是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修 复。 2 提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开 发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为 多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般 都提供了良好的多任务调试环境。 3 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行多任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做到不崩溃。例 如，c p u 运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开，以及实 时地给出c p u 的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实 时内核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥3 2 位c p u 的优势。 2 1 3 嵌入式系统开发流程 嵌入式系统涵盖了软件和硬件两个层面，硬件平台是以嵌入式处理器为核 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 心，选择合适的处理器是完成硬件平台的开始也是关键；软件部分是根据实现的 功能和应用的环境选择合适的实时操作系统，并在此基础上完成应用程序的编 写。 在嵌入式系统开发过程中，首先要进行需求分析，了解用户要解决哪些问题， 所设计的系统可以实现哪些功能，将要实现的功能进行细化，根据细化的结果完 成功能文档。接下来工作就是根据前一步的分析和结论，选择合适的处理器和硬 件平台，确定相应的嵌入式操作系统，硬件的选择原则是用比较低的成本和尽量 简约的外设解决相关问题。 硬件平台是整个系统的重中之重，也是功能实现的基础；硬件的设计主要包 括原理图和p c b 两部分，在处理器已经选择完毕后，根据处理器扩展的相应接 口，并结合所实现的功能，设计出硬件的原理图；画出器件的封装后，完成p c b 电路的设计。为了缩短嵌入式系统的开发周期，大部分的系统都是软件开发和硬 件设计同时进行，应用程序的编写和调试可以在p c 机的仿真环境下进行，利用 定制操作系统时生成的s d k 进行仿真调试，待硬件完成以后，利用相应工具完 成镜像文件的下载，结合硬件对整个嵌入式系统进行调试。目前比较流行的嵌入 式系统开发流程如图2 4 所示。 图2 4嵌入式系统开发流程图 嵌入式系统通常是一个资源受限的系统，因此直接在嵌入式系统的硬件平台 上编写软件比较困难，有时候甚至是不可能的。目前一般采用的解决办法是首先 在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可以运行的二进制 1 6 - 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式光纤端面检测系统的原理及设计方案 代码格式，最后再下载到目标平台上的特定位置上运行。需要交叉开发环境 ( c r o s sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 的支持是嵌入式应用软件开发时的一个显著 特点，交叉开发环境是指编译、链接和调试嵌入式应用软件的环境，它与运行嵌 入式应用软件的环境有所不同，通常采用宿主机目标机模式。 2 2 嵌入式光纤端面检测系统的总体设计 嵌入