（电磁场与微波技术专业论文）电场传感信号的光纤传输与智能测试.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电场强度的测量在电子、电工技术中一真是非常重要的。传统的电场测量装 置会较大地改变被测量电场的分布，影响测量精度和安全性，而利用光纤传感来 测量空间电场则可以克服这些缺点。 针对电场强度传感信号测量的特殊要求，研究了电场传感信号的光纤传输和 智能测试系统。这个系统不仅对被测电场的影响小、绝缘性能高，而且具有灵敏 度高、抗干扰能力强等优点。 在系统中，对光源采用的是模拟调制中的脉冲频率一强度调制。整个电场传 感信号的光纤传输和智能测试系统的设计方案如下：在前端将电场信号转换为频 率变化的信号，用频率变化的信号调制光源，使其输出光功率随之改变的光脉冲 信号，达到电一光转换的目的；用光纤传送被调制后的光信号，光信号在接收端 通过光一电转换成为频率变化的电信号，然后送入单片机，进行测试、智能处理 和显示。 实验结果显示， 2 m v 5 v 范围的测量相对误差不超过5 ，测试的精度基 本达到了要求。整个系统不仅能耗低、体积小，而且由于采用了单片机对信号进 行处理和控制，便于实现预置参数、温度误差修正、非线性修正等智能型系统的 功能。 对电路作进一步的改进后系统还能实现自动分档测量，以改善测量小信号时 的干扰等方面的一些问题。采用分时测量技术还可以在现有系统的基础上实现矢 量电场传感信号的三个分量的测试。 在实际应用中，可以将温度、压力、电流等其它参量的变化转化为电压的变 化，再使用本系统进行传感、测量，能兼顾安全及准确性方面的要求，因此，此 系统有很高的实用价值。 关键词：电场传感光纤传输 智能测试单片机 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e s to ft h ee l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yi sa l w a y sv e r yi m p o r t a n ti ne l e c t r o n i c sa n d e l e c t r o t e c h n i q u e s t h et r a d i t i o n a lm e a s u r ee q u i p m e n t o ft h ee l e c t r i cf i e l dm a y c h a n g e t h ef i e l ds ot h a tm e a s n r ep r e c i s i o na n ds a f e t ym a yb ea f f e c t e d b u tt h e s es h o r t c o m i n g s c a nb ec o n q u e r e d b y t h et e c h n i q u e so f f i b e r o p t i cs e n s i n g t h e s y s t e mo f f i b e ro p t i ct r a n s m i s s i o na n d i n t e l l i g e n tt e s tf o r t h es i g n a lo fe l e c t r i c f i e l d s e n s i n gi s s t u d i e d i nt h es y s t e m ，t h ee s p e c i a lr e q u e s ba r ec o n s i d e r e d ：t h e s y s t e m h a sl i t t l ei n f l u e n c et ot h ee l e c t r i cf i e l da n dh a s h i 曲i s o l a t i v ec a p a b i l i t y , m o r e o v e r , i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hd e l i c a c y , h i g ha n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y t h ep u l s e f r e q u e n c y - i n t e n s i t ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e o f a n a l o gm o d u l a t i o n i su s e d i nt h es y s t e m i nt h ef o r e s i d eo ft h es y s t e m ，t h es i g n a lo fe l e c t r i cf i e l d s e n s i n gi s c h a n g e di n t ot h es i g n a lo f v a r i a b l ef r e q u e n c nt h e nt h es i g n a lo fv a r i a b l ef r e q u e n c y m o d u l a t e st h el i g h ts o u r c e ，w h i c hp r o d u c e st h es i g n a lo fl i g h tp u l s ev a r y i n gw i t ht h e s i g n a l o fv a r i a b l ef r e q u e n c y ；t h em o d u l a t e dl i g h t s i g n a l i st r a n s m i t t e d t h o u g ht h e o p t i c a lf i b e r , i nt h es i n ko f t h es y s t e m ，t h el i g h ts i g n a li st r a n s f o r m e di n t oe l e c t r i c s i g n a l ，t h et e s t ，p r o c e s s ，d i s p l a y o ft h ee l e c t r i c s i g n a l i s c o m p l e t e db y t h e m i c r o c o u t r o l l e r t h er e s u l to f e x p e r i m e n td i s p l a y st h et e s tr e l a t i v ee r r o ro f t h es i g n a lf r o m2 m vt o 5 vi sn o tm o r et h a n5 t h et e s tp r e c i s i o na c h i e v e sr e q u e s to nt h ew h o l e t h es y s t e mi s e n e r g y s a v i n ga n d h a ss m a l lv o l u m e b e c a u s em i c r o c o n t r 0 1 1 e ri su s e dt op r o c e s sa n d c o n t r o lt h es i g n a l ，t h ef u n c t i o no fi n t e l l e c t u a l i z e ds y s t e ms u c ha ss e t t i n gp a r a m e t e r , c o r r e c t i n gt e m p e r a t u r ea n dn o n l i n e a r i t ye r l o r h a v i n gi m p r o v e dt h ec i r c u i t ，t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yc h a n g et h et e s tr a n g e t om i n i m i z et h ei n t e r f e r e n c et ot h es m a l l s i g n a l b a s e do nt h es a m es y s t e m ，t h e v e c t o rs i g n a lo fe l e c t r i cf i e l d s e n s i n gc a na l s o b et e s t e d b yu s eo ft i m ed i v i s i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 m u l t i p l e x i n g i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，w h e nt h ev a r i a b l ep a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ， s t r e s s ，c u r r e n t ，a r et r a n s f o r m e di n t ot h ev a r i e t yo f t h ev o l t a g e ，t h e s ep a r a m e t e r sm a y b e s e n s e d ，t e s t e db yt h es y s t e ms a f e l yw i t hp r e c i s i o nr e q u e s t t h e r e f o r e ，t h es y s t e mh a s h i g hp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：e l e c t r i cf i e l ds e n s i n gf i b e ro p t i ct r a n s m i s s i o n i n t e l l i g e n tt e s t m i c r o c o r l t r o l l e r l l i 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锝 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： j 芬 日期：，删晖乒月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：却謦 日期：j 口舴 月胴 指导教师签名 日期：妒炜严月如日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究工作的意义、范围 1 绪论 电场强度一直是电子、电工技术中一个非常重要的物理量。传统的电场强度 测量系统需要利用高阻抗传输线连接作为电场传感器的天线和测量仪器，这就导 致了由天线到测量仪器之间连接导线引起的干扰和场强的变化。为此，测量仪器 必须尽可能地接近天线，最好与天线融为一体，这又会使得测量系统前端体积增 加，体积大小也会影响被测电场。此外还有能耗、笨重和读数不方便等问题。这 些问题难以在传统方式下得到完满解决，因此需要一种新的测量方法来解决电场 强度测量中出现的这些问题。本文着重研究一种新的电场传感信号的光纤传输和 智能测试系统。 近年来，对电场强度传感信号的测量有许多新的方法，如：基于石英晶体反 压电效应的光纤电压传感器是利用地与高电势间电场的线积分来测量高电压 ( 兰4 2 0 k v ) 的，这种求电压的方法可防止邻近电场的干扰，以确保传感信号不受 电场分布的影响【1 】；利用电光晶体的一次电光效应来测量脉冲电压和电场闭；利用 水下的装置测量电磁场1 3 ；使用一种独特的传感器和三输入不同相位的测量技术， 测量邻近电磁场分布，可以同时测量电场和磁场的分布【4 】；利用电光l i n b 0 3 传感 器和光源的相干调制技术，电场信号调制光信号延迟，光延迟信号作为电场的载 波信号，通过光纤传输光信号，在接收端用干涉计来测量传输光信号的自相关【5 】； 使用l i n b 0 3 作为传感媒质，用光学仪器来测量低频的高电场，整个系统不需要任 何的电极连接【6 】；电场能引起一些压电晶体的形变，从而引起粘贴在压电晶体上的 光纤中光信号的相位变化，根据这种原理能间接地测定电场强度【7 1 日 这些新的方法在电场强度传感信号的测量中，能够得到比较满意的结果，但 是，这些测量方法所用的技术比较复杂，成本比较高，有些会增加测量系统的能 耗和体积，有些适用于拥有特殊条件的情况。 与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波 传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以 方便有效地用于各种大型机电，石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣 环境中。 ( 2 ) 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器，其中有的已由理论 证明，有的已经实验验证，如测量水声、加速度、辐射、磁场等物理量的光纤传 感器，测量各种气体浓度的光纤化学传感器和测量各种生物量的光纤生物传感器 等。 ( 3 ) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外还有可 挠的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。这有利于 航空航天以及狭窄空间的应用。 ( 4 ) 测量对象广泛。目前已有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传 感器在现场使用。 ( 5 ) 对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 ( 6 ) 便于复用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感 网络。 ( 7 ) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本将大大低于现有同类传感器。 由于光纤传感器具有的这些优点，在电磁参量等的测量中具有突出优势，我 们提出了利用光纤传感技术测量电场强度传感信号的方法。 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中， 光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信 号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素 影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相 位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化， 就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 将光纤传感技术应用于各种参量的测量，不仅可以得到比较精确的结果，而 且可以使测试系统小型化，便于携带，能方便地实现与计算机的接e 1 ，便于远程 华中科技大学硕士学位论文 控制。例如，在温度的传感测量中，寻求一种将温度传感器与微型计算机连接起 来的温度一电压转换、信号传输。基于光纤传输的温度测量技术可解决温度信号 与微机的连接。基于热平衡定律原理，采用半导体热敏电阻( m f 5 1 ) 作为温敏元 件，由元件的电阻值随温度变化的特性，将温度转化为电压。电压信号经过微电 压一频率转换电路，将温度电压信号调制成频率范围很宽的一组脉冲信号，经高 精度，低漂移的红外发光二极管将电压脉冲信号转换成光脉冲信号，送入多模光 纤载波传输，光纤终端的光敏探测器又将光脉冲信号转换成电脉冲信号，送入信号 调整电路，再送到计频计数器，最后送人p c 机处理，实现了基于光纤传输的温度测 试【8 】。 光纤传感网络的用途很多【9 】，特别是应用于电压、温度等的测量。其中，利用 布里渊散射原理，用光纤进行分布张力、温度等的传感的方法受到了很多研究者 的青睐 1 0 , 1 1 , 1 2 】。引入了长周期和短周期光栅的光纤传感器，可同对对湿度，张力， 压力进行传感【”1 。光栅结构的周期和长度的重建可以利用时间一频率信号的分析， 通过对应的综合反射系数来进行。利用这一点，可以应用于分布张力或温度的传 感【1 4 】。使用一种新型的多光纤温度传感器，原理是温度和一种液体折射率之间的 关系，传感元是以单片微型计算机为基础的硬件系统和以人工神经网络为基础的 测试软件系统 1 5 。光纤还可应用于辐射分布状态的传感以及灵巧结构和土木工 程结构中【1 7 , 1 8 , 1 9 。 在光学传感装置中使用多种芯片，不仅对光的传输，而且对整体的电路都是 很有用的。包含了微机电技术的传感系统，标志着一个小型化的光学传感系统时 代的到来【2 0 】。 我们所做的电场传感信号的光纤传输与智能测试系统，是把实现信号变换、 光电检测、智能测试这一系列功能的电路集成在了两块电路板上。在光电子领域 高新技术产品的研究中，以集成光学元件作为检测手段的应用研究具有十分广阔 的应用前景。因为集成光波导传感元件具有光路系统集成的新型光学传感器结构， 使得它在检测领域的应用具有其他结构传感器无法比拟的优点。它将光学系统集 成在同一基板上，使检测系统变得超小型化，具有稳定性好、精度高、可远距离 华中科技大学硕士学位论文 遥控等优点。 目前，利用集成光波导技术实现的各种类型的传感器正成为当代研究的热点 课题之一。而集成光波导电磁场传感器就是众多集成光波导传感器中的一种。它 是通过集成光波导器件来检测电磁场信号，利用波导中传播的光强被检测电磁场 信号调制，使光的强度或相位随着被检测电场相应地变化。集成光波导结构的电 磁场传感器具有抗干扰、高绝缘、可防暴、宽带宽、高灵敏等特点。可实现检测 系统的更高性能化和多机能化，并通过光波导的光输入、输出端连接光纤实现远 距离遥控。目前，集成光波导电磁场传感器发展的战略目标正朝着具有自诊断、 适应环境变化、自动校正和自动补偿的多功能、智能化、集成化方向发展【2 l 】。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 光纤传感技术 光纤可用做传递信息的光信道，也可用作传感器。光纤传感技术是2 0 世纪 7 0 年代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体、光纤为媒质、 感知和传输外部测量信号的新型传感器。光纤之所以能用做传感器在于它的光束 参数，诸如幅度、相位、波长、频率、偏振状态对温度、压力、电磁场、振动和 位移等环境因素的敏感性。作为被测量信号载体的光波和作为光波传输媒质的光 纤，具有一系列独特的，其它媒质难以比拟的优点，光波不产生电磁干扰，也不 怕电磁干扰，易为各种光电监测器接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高 度发展的现代电子装置和计算机相匹配。光纤传感器的优点是不导电、重量轻、 体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好，这些优点使它适合于易燃、易爆、空间受 限及强电磁干扰的恶劣环境下使用。因此，光纤传感器一问世便受到极大地重视， 几乎在各个领域得到研究和应用，成为现代传感器的先导，推动着传感技术的蓬 勃发展 2 2 - 2 3 。 目前用于电场测量的光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能 型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤 4 华中科技大学硕士学位论文 传感器，或全光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量 的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也 称为传光型传感器，或混合型传感器【2 4 1 。 光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调 制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长( 颜色) 调制 光纤传感器。 在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述 e = e oc o s ( c a + ) 式中，e o 为光波的振幅；f o 为频率；( p 为初相角。上式包含五个参数，即强度 e 0 2 、频率、波长厶= 2 n v 国、相位( c o t + ) 和偏振态，被测量在敏感头内与光 发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强度，就叫强度调制光纤传感器， 其它依次类推。因此，就得到了五种调制类型的光纤传感器。 光纤传感器按被测对象的不同，又可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、 光纤浓度传感器、光纤电压传感器、光纤流速传感器等。 光纤传感器可以探测的物理量很多，己实现的光纤传感器物理量测量达7 0 余 种。然而，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制传 输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得 到被测量。因此，光调制技术是光纤传感器的核心技术。 光纤电压传感器是近年来发展起来的一种新型电压测量设备。利用光纤完成 信号的传输，利用晶体的特定物理效应来敏感电压。其优点是：抗电磁干扰、耐 腐蚀、耐高压、防燃、防爆；测量精度高、可靠、安全，并可远离现场进行测量。 尤其是可以同光纤传输网联网，实现系统的遥测及监控。易满足小型化、智能化、 多功能的要求。这些都是传统电压测量设备所无法取代的 2 5 1 。 把d s p 技术应用于光纤电压测量系统，利用它的实时采集和快速性，来实时采 集经过电光晶体输出、光电二极管变换后的电压信号，并通过内部运算和转换， 实现对原被测量电压信号的测量、计算和再现，同时通过d a 输出给其他模拟设各。 华中科技大学硕士学位论文 整个系统主要由以下几个部分组成：被测电场、电光晶体和附件、光源和光电转 换、信号调理电路和d s p 信号处理电路【2 6 】。 检测电磁量的光纤传感器大多为传感型的光纤传感器。比较常用的调制方式 主要是偏振调制和相位调制式。利用光纤测电磁参量常用的物理效应有法拉第效 应、磁致伸缩效应、电致光吸收效应、压电弹光效应等。法拉第效应是指在磁场 作用下，本来不具备施光性的物质也产生了施光性( 即能使光矢量旋转) ，这种 效应也可称作磁致施光效应。磁致伸缩效应是指磁场作用于磁致伸缩材料使其长 度发生变化，从而引起光学相位的变化，且其相位变化与磁场呈线性关系。电致 光吸收效应是指在电场作用下，压电效应晶体的吸光特性发生改变其吸光特性 变化规律与# i - 力h 电压成正比。压电弹光效应是指当把单模光纤结合在压电材料的 芯架或带条上当外加电场作用于压电材料相应方向时，由于压电材料的长度变 化，使单模光纤因弹光效应发生折射率的变化1 2 4 1 。 光纤测量电场( 或电压) 可以采用两种技术：电致光吸收技术和压电弹光技 术。电致光吸收技术是利用掺杂的压电晶体，在外加电场作用下改变其光谱吸收 的特性。也可以在选用合适材料的光纤中掺入适当的杂质，使光纤的折射率能随 外界电场变化，l l j n ( e ) 型光纤。它具有光吸收系数随外界电场的变化而变化的 特性。检测出吸光特性的变化，就可得到外加电场( 或电压) 的大小。压电弹光 技术测量电压，特别是测量高压时，是采用压电材料的压电效应与单模光纤的弹 光效应相结合的方式去测量。 目前在一般的光纤传感信号测试系统中，通常是先将模拟信号转换为数字信 号，经由光纤传感，接收后再将数字信号变为模拟信号。这种光纤数字通信具有 便于处理、抗干扰、无噪声积累等优点，特别对于光源和光检测器的线性度、光 功率、噪声等方面的要求都比较低，能更好地发挥光纤大带宽、低损耗的优势， 适合于长距离、大容量传输，是应用最普遍的一种方式。但是在中、短距离下对 模拟信号直接采用光纤模拟传输方式，不需要取样、量化、编码等复杂的技术处 理，特别是对于视频信号，占用的带宽小，设备简单，体积小，对光纤性能要求 低，价格便宜，因此，这种传输方式也十分实用。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 以单片机为核心的智能处理系统 以单片机作为智能处理的核心，在许多方面有着重要的作用，这也是目前嵌 入式系统发展的一个重要方向。嵌入式技术的快速发展不仅使之成为当前微电子 技术与计算机技术中的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、 大型机、小型机、微机之分变为通用计算机与嵌入式计算机系统之分。嵌入式计 算机系统，或简称嵌入式系统，是作为其它系统的组成部分而使用的【2 7 】。 以单片枫为核心的智能处理系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之 为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地 说，这种智能处理系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作 方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时 和多任务的体系。 一般智能处理系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和 i o 端口、图形控制器等。这种系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬 盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。 目前嵌入式系统中的处理器分为微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 、数 字信号处理器( d s p ) 等几大类，应用最广泛的还是各种档次的8 1 6 3 2 6 4 位微控 制器，但i n t e l x 8 6 芯片、r i s c 芯片、d s p 芯片、m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e 、d r a g o n b a l l 以及基于a r m 内核的高性能微处理器的应用也逐渐开始引人注目。 智能处理系统的核心是微处理器。嵌入式微处理器一般具备4 个特点：( 1 ) 对 实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从 而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；( 2 ) 具有功能很强 的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软 件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利 于软件诊断；( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的 华中科技大学硕士学位论文 嵌入式微处理器；( 4 ) 嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无 线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至u w 级。 在智能处理系统的软件技术方面，包括微处理器的开发语言，c p l d f p g a 的 开发语言，现场总线的开发语言( n e u r o nc ) 等。 对于微处理器，通用的有两种语言支持：汇编语言和c 语言，对于i n t e l 系列的 处理器还有p i j m 语言，另外还用b a s i c 语言等。c 语言是一种用于编写u n i x 操作 系统的语言，它是一种结构化语言，可产生紧凑代码，作为一种非常方便的语言 而得到广泛的支持。c 语言程序并不依赖于其硬件系统，基本上不作修改就可根据 单片机的不同较快地移植过来。而汇编语言作为早期单片机的主要的开发语言， 具有编程效率高、代码短等优点，但不易维护、阅读等明显缺点使得其应用范围 越来越小口7 1 。 在c p l d f p g a 的语言开发中，比较具有代表性的是美国国防部开发的v h d l 语言( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，v e r i l o g 公司开发的v e r i l o g d l 以 及日本电子工业振兴协会开发的u d l i 语言。 n e u r o nc 是专门为n e u r o n 芯片设计的编程语言。它是从a n s ic 中派生出来 的，并对a n s ic 进行了增删。对a n s ic 的扩展直接支持n e u r o n 芯片的固件， 使之成为开发l o n w o r k s 应用的强有力工具。n e u r o n c 扩充部分对c 语言可以 很自然地衔接，n e u r o n c 提供有内嵌的类型检查为编程人员编出高效率的分布式 l o n w o r k s 应用程序提供了保证。 r 微处理器系统在工业生产中已经得到广泛的应用。在现场仪表和工业设备层 应用微处理器技术是工业控制网络的一个发展趋势。与现场总线技术相比。微处 理器技术不仅为开发者提供了大量的工具和函数库而且减少了传统的客户端，减 少了二次开发的工作量；而把微处理器技术和因特网技术结合起来，使得整个工 控网络只有一种底层通信协议，可以满足控制系统各个层次的要求，而且易于和因 特网实现无缝连接；通过w e b 浏览器，用户可以在任何时间、地点监控现场数据和 设备f 2 8 刀i 。 华中科技大学硕士学位论文 作为智能处理系统基础的集成电路，从早期简单的电路集成到当前大规模集 成电路，以及到智能处理系统的系统芯片的出现，以芯片形态实现了人类的智能 化，正在不断地实现人类功能的延伸。未来的智能处理系统将会比今天的更便宜、 更小巧、更可靠、更高效，而且更智能化。 1 3 主要研究方法及结果 在设计电场传感信号的光纤传输和智能测试系统时，我们研究的重点集中在 电压信号发送前的处理，处理后的信号的传输，以及传输后信号的智能处理这几 个方面。 在实验中，我们采用了模拟调制中的脉冲频率一强度调制，把光纤作为传光 的通道，利用传感对象和光纤中传输光波的光强关系来检测电压。在测试系统的 前端，使用v f 变换器把电压信号转换为频率信号。这样测试系统的前端电路很简 单，体积小，重量轻，能耗也很低。要达到大的动态范围、高的测量精度要求， 只需要适当选择合适的v 原器件和转换系数即可。而在接收端，也容易直接检测频 率确定电压。这样，整个电场传感信号的光纤传输和智能测试系统的设计思想如 下：在前端将电场信号转换为频率变化的信号，用频率变化的信号调制光源，使 其输出光功率改变的频率随被测信号变化，达到电一光转换的目的；用光纤作为 传光的通道，光信号沿光纤传至接收端，通过光一电转换成为频率变化的电信号， 然后送单片机，进行测试、智能处理和显示。 智能处理部分参考了嵌入式系统设计的思想，采用了单片机对信号进行综合 处理和控制，减小了系统的体积和功耗，便于实现预置参数、温度误差修正、非 线性修正等智能型系统功能。同时，对于传输信号的精度要求也没有仅仅着眼于 光纤传感技术部分，着重考虑了在电路设计和信号处理方面的改进，以期达到预 想的精度要求。 实验结果：在这次所做的电场传感信号的光纤传输与智能测试系统中，输入 的是o 5 v 的直流缓变电压，由于采用了分档测试及光纤传输的方法，基本上可 9 华中科技大学硕士学位论文 以使接收到的电压信号( 包括大的电压信号和小的电压信号) 的精度达到预期的 要求，相对误差不超过5 。不过，对于2 m v 以下的电压信号，由于输入信号很 小，信嗓比低，测量结果的相对误差( 不是相对于满度量程的相对误差) 还不能 保证在5 之内。 针对以上研究结果，我们进一步的研究工作包括：对硬件电路进行改进，减 小测量小信号时的干扰；电路中使用的还是人工换档方法，应采用自动换档比例 运放电路实现更高的自动化测量：采用分时测量技术还可以在现有系统的基础上 实现矢量电场传感信号的三个分量的测试。 论文的章节内容安排如下：本章介绍论文选题来源及国内外研究概况：第2 章系统方案及设计，主要是从理论上对系统各个部分的设计进行分析和研究；第 3 章系统调试和改进，针对系统在实践过程中出现的一些问题，提出调试意见和 改进方案；第4 章实验研究，得出完成的测试系统模型，通过测得的实验数据、 图形进行分析、计算；最后总结了全文工作并讨论了进一步的研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统整体设计方案 2 系统方案及设计 场强是电场强度的简称，它是天线在空间某点处感应电信号的大小，以表征 该点的电场强度。其单位是微伏米( u v m ) ，为方便起见，也有用d bu v m ( 0 d b = 1 u v ) 1 3 0 。 电场强度的测量在电子、电工技术中一直是非常重要的。由于光纤可以隔离 高压电信号而不会引入畸变，因此，在电场测量中，通常采用光纤作为信号的传 输媒体【3 0 j 。传统的电场测量装置会较大地改变被测量电场的分布，影响测量精度 且不安全，而利用光纤传感来测量空间电场则可以改变这种状况。 电场强度传感信号的传输和测试与一般的电压信号的传输和测试相比，有许 多特殊之处，其中特别是要充分考虑系统对场分布的影响。现有的电场传感器输 出的信号是o 5 v 的电压信号，要求能够正确反映o 1 m v 的变化，且测量结果的 相对误差不超过5 。由此可见，信号的动态范围大，精度要求又比较高。 本文设计的测量电场强度传感信号的系统主要要考虑三个方面的要求：( 1 ) 可测量的动态范围足够大；( 2 ) 测量的精度高：( 3 ) 测量电路对电场的影响要小。 其他还有前端的低功耗设计、成本等方面的一些要求。 系统设计方案主要包括以下几个方面的内容：电压信号转换为频率信号，对 电压信号的分档测试：选择合适的调制方式，用光纤传输调制后的信号；用单片 机实现智能测试功能。 在信号传输之前，先把电压信号转换为频率信号，可以兼顾系统的精度要求， 同时，尽量选择简单的且能较好地实现这种功能的芯片、电路，可以减小系统前 端的体积，从而减小对实际电场分布的干扰。由于需要测量的电压的动态范围很 大，若不分档就直接测量，势必达不到预期的精度要求，对电压进行分档测量后， 每一档的满度值对应相同的足够大的频率，能够提高测量的精度。 为减小对实际电场分布的干扰，系统前端的体积必须尽可能小，阻抗必须尽 华中科技大学硕士学位论文 可能高，并且不应当有直接接地之处。为达到以上要求，采用光纤进行信号的传 输可以获得较好的效果。用光纤来传输信号，可以使系统的发送端和接收端做到 完全的电隔离。如果发送端采用独立的电源，则接收端的接地点不影响发送端的 电路，发送端的电位几乎完全不会受到接收端接地点的影响。因此，接收端的电 位也就不会对测试的电场强度信号产生影响，这就大大减小t n 试电路影响被测 电场分布带来的基本测量误差。 目前常用的光纤传输系统传送的是强度变化的光信号，因此，使用光纤传输 传感信号，应当使传感信号与强度变化的光信号之间建立起确定的关系，换句话 说，要用传感信号调制光信号强度。由于目前常用的光收发器件温度稳定性比较 差，一般不能采用传感信号直接调制光信号强度，否则仅仅在光纤传输系统中就 会因环境参数的变化产生不能接受的误差。 对光信号的调制方式一般分为两种。一种是先对传感信号进行模数转换，将 模拟的传感电压信号转换为数字信号，再用该数字信号调制光信号强度并经由光 纤进行传输，接收后再将数字信号变为模拟信号。这种方式与数字光纤通信本质 上完全相同，因此同样具有信号便于存储处理、抗干扰、无噪声积累等优点。但 是要达到大动态范围和高测量灵敏度和精度要求，技术上比较复杂，成本高，特 别是增加了系统发送端的能耗和体积，对减4 , n 试电路影响被测电场分布带来的 基本测量误差十分不利【3 l j 。 另一种方式仍然采用模拟调制。除幅度调制因为温度对光信号的幅度影响很 大一般不能采用之外，一般的脉冲频率一强度调制和脉冲宽度一强度调制等方式 均可采用。这时光纤作为传光介质，直接传输模拟调制后的光信号。由于传输的 是模拟信号，不需要取样、量化等复杂的技术处理，占用的带宽小，设备简单， 体积小，能耗低，对光纤性能要求低，价格便宜。 在使用脉冲宽度一强度调制的情况下，动态范围和精度要求是需要主要考虑 的问题。我们曾经尝试首先对电场信号进行对数变换，使用对数放大器来压缩信 号的动态范围。结果发现采用简单的对数变换电路不能达到要求。输出信号的动 态范围太小，要实现比较精确测量，需要将电场强度传感信号分成多档进行测量， 1 2 华中科技大学硕士学位论文 导致测试系统复杂化。而高指标的对数变换电路比较复杂，系统的体积能耗会比 较大，并且价格偏高【3 舶。 我们在这次历做的系统中，采用的是脉冲频率强度调制，也就是说，利用 频率变化的电信号调制光信号强度，在接收部分用光检测器把光信号变为对应的 电信号。 在光纤传输后的智能处理部分，决定采用单片机a t 8 9 c 5 1 来实现这些功能， 对这部分电路的设计参考了嵌入式系统设计的思想。单片机将整个计算机系统集 成到一块芯片中，芯片内部包括了r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时，计数器、i 0 、 串行口等各种必要的功能部件和外设，只要对功能的设置和外设的配置进行必要 的修改和裁减定制，可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个 系统的功耗、体积和成本。 在我们所设计的系统中，充分利用了单片机中的现有资源，以尽量少的芯片、 元器件构成了单片机的外围电路和整个系统，以减少整个系统的体积、功耗和成 本。在单片机的软件设计部分，采用了c 语言对程序进行模块化编写，脱离了汇编 语言的烦杂，程序变得更加简单、灵活。 在对前人的测量方法进行了大量的分析、研究之后，得到了电场强度传感信 号的光纤传输和智能测试系统的设计方案：把整个测量系统分成前端、后端两个 部分，中间用光纤连接。前端为信号发送端，完成对信号的变换和光发送；后端 为信号接收端，包括光接收，以及采用单片机完成对信号的反变换及智能测试； 连接发送端和接收端的光纤完成对信号的传输。图2 1 为系统原理框图。由于采用 单片机对信号进行综合处理和控制，便于实现预置参数、温度误差修正、非线性 修正等智能型系统功能。 信电 光争、 光显 号光 电不 变 +- - i p a t 8 9 c 5 1 电 转、转 换换换 路 图2 ，1 系统原理框图 华中科技大学硕士学位论文 2 2 模数转换方案的分析和比较 在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测到的连续变化 的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字量，才能输入到单片微 机中进行处理。然后再将处理结果的数字量经d a 变换器转换成模拟量输出，实现 对被控对象过程或仪器、仪表、机电设备、装置的控制。若输入的是非电的 模拟信号，还需经过传感器转换成电信号。实现模拟量变换成数字量的设备称为 模数转换器( a d c ) ，简称a d 3 3 1 。 根据a d 转换器的原理可将刖d 转换器分成两大类。一类是直接型d 转换器， 另一类是间接型a d 转换器。在直接型a d 转换器中，输入的模拟电压被直接转换 成数字代码，不经任何中间变量；在间接型a d 转换器中，首先把输入的模拟电压 转换成某种中阊变量( 时间、频率、脉冲宽度等等) ，然后再把这个中间变量转 换为数字代码输出。 尽管a i d 转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有三种类型。逐次逼近 式a d 转换器、双积分式a d 转换器和v f 变换式a d 转换器。目前a d 转换技术得 到了广泛应用，特别是利用a i d 转换技术制成的各种测量仪器因其使用灵活、操作 简便、体积小、重量轻、便于携带、测量结果准确等特点而普遍受到欢迎。但在 某些要求数据长距离传输，精度要求高，资金有限的场合，采用一般的a d 转换技 术就有许多不便，这时可使用v f 转换器来代替a d 器件。 v f 转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性和积分 输入特点，此外，它的应用电路简单，外围元件性镗要求不高，对环境适应能力 强，转换速度不低于一般的双积分型a i d 器件，且价格较低，因此在一些非快速 a d 过程中，v f 转换技术倍受青睐。 在工业测控现场，为单片机系统提供的工作条件往往是非常苛刻的，特别是 对某些模拟信号的采集还要通过长线传输，其抗干扰的技术要求就更高了。一般 情况下，干扰都是以脉冲的形式进入系统的。对这个问题的最好解决方法是使用 压频转换器( v f c ) 以频率形式传输模拟信号。v f c 是一种输出频率与输入信号 华中科技大学硕士学位论文 成正比的电路。通过光电隔离器、双绞线或同轴电缆在远距离传输线路上传输频 率信号使其不受干扰这是相当容易的。如果要求传输的信息一定是数字量，那么 只要把接收器做成为一个频率计数器，利用单片机很容易实现 3 4 。 用v f 转换器实现a d 转换需要与频率计数器配合使用，电路框图如图2 2 所示。 图2 2 用v f 实现a d 结构框图 原理如下：同时启动频率计数器和定时器，频率计数器用v f 转换器输出的 频率信号为计数脉冲，定时器采用基准频率作为定时脉冲，当定时结束时，定时 器产生输出信号使频率计数器停止计数，这样计数器的计数值与频率之间的关系 是： i 厂= 旦t d 是计数值；t 是计数时间 而丁：擘d s 是定时计数器计数初值；6 是基准频率 js 因此 厂2 苦六 可见只要知道了d 值就可通过计算求出v 腰转换器的输出频率，这样就实现 了a d 转换。定时计数器可用单片机内部的定时计数器，也可使用外接计数器， 用单片机把计数值取入内存即可进行数据处理【3 3 】。 v 仃变换虽然解决了信号在长线传输过程中的抗干扰问题，但却改变t c p u 对 被测信号的读取方式，由原来的对a d 输入信号的直接读取变为对v f 变换器输出 华中科技大学硕士学位论文 脉冲频率信号的读取。 v f 方式的使用，有效地消除了空间和过程通道的干扰。它至少具有四个方 面的优点：( 1 ) 占用计算机资源少。对于一个模拟信号仅占用个输入通道；( 2 ) 抗干扰性能好。v ，f 转换过程是对输入信号的不断积分，它需要被测信号提供适 当的驱动电流，因干扰信号不能提供电流而被滤掉。另外，v f 变换与单片机接 口很容易采用光耦隔离；( 3 ) 便于远距离传输；( 4 ) 信号频率可灵活选择。因此， v f c 方式在单片机系统设计中，特别是在环境条件恶劣、非快速而需进行远距离 数据采集的场合应用中是相当有效的【3 4 1 。另外，还可以减化电路、降低成本、提 高性价比。 被测量物理量转换为与其成比例的频率信号后，送入计算机需经过频率输入 通道，而不同应用环境，频率输入通道的结构不尽相同，大致可分为以下几种： ( 1 ) w f 转换器直接与单片机相联。这种方式比较简单，把频率信号接入单 片机的定时计数器输入端即可。 ( 2 ) 在一些电源干扰大、模拟电路部分容