基于S3C44B0的布拉格光纤光栅传感信号处理系统的设计与实现

　　1   引言

　　伴随着微电子的发展，用于嵌入式设备的处理器速度越来越快，功能也越来越强大。三星公司生产的S3C44B0微处理器，采用的是ARM7TDMI内核。该内核因为有着功耗小、成本低等特点，因此非常适合作为移动手持终端的处理器。

　　布拉格光纤光栅是一种利用准分子激光等方法光纤中加工有序光栅，布拉格光纤光栅可以改变光光纤中传播性质，阻止特定波长光传播，并将其反射回来。布拉格光纤光栅传感器就是利用布拉格光纤光栅这一性质设计各种物理量传感器，如应变、压力、温度等，检测这些传感器反射光波长变化，就可以到所需被测物理量。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、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关注，特别是如大型结构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。

　　布拉格光纤光栅传感器输出是光信号，分析识别这些光信号波长，才能到被测信号物理量。工程上光纤法-柏分析器，将布拉格光纤光栅传感器输出光信号解调为电信号，再由电路系统进行处理。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基本问题。

　　本文以基于ARM732位嵌入式微控器S3C44B0为硬件，uC/OS-II 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具有图形化人机界面、Internet网络接口、多种通信接口等功能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，要求能够准确可靠、高性能完成传感信号解调工作，工程上还常常要求系统具有高标准附加功能，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控制是一种选择。

　　系统控制还须控制布拉格光纤光栅传感信号解调和对解调后信号处理。用于布拉格光纤光栅传感信号解调光纤法-柏分析器事实上是一个压控光带通滤波元件，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窄带光加到光纤法-柏分析器输入端，则光纤法-柏分析器输出端即可到一个与输入窄带光光谱相对应时间域电信号。这个时域信号放大、整形，处理为一个系列脉冲信号，这个系列脉冲信号中各个脉冲时间域上相对位置就包含了布拉格光纤光栅传感器反射窄带光光谱信息。图1指示了这个解调过程。

　　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相对时刻是对这个信号进行处理主要任务，对它识别直接关系到系统测量和性能。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分辨率达到1/1500000秒，约为0.67uS。考虑到光纤法-柏分析器要求回扫时间损失，脉冲时间识别实际 分辨率必须小于0.50uS。

　　S3C44B0微控器定时器是按每2个系统时钟周期为单位计时。，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。一个单一中断系统中，S3C44B0中断响应时间为5~29个时钟周期。执行指令所需固定时间和中断响应短时间可以软件予以消除，而可能产生不可预计计时误差Δt2为24个时钟周期，即Δt2=24/64 us。设：

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

　　则软件设计，可以使系统总计时误差±ΔT/2，即±0.2 uS 之内，可以满足系统要求。直接利用 S3C44B0微控器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，设计了一套布拉格光纤光栅传感信号处理系统。整个系统硬件原理如图2所示。

　　图2     系统硬件原理图

　　系统对布拉格光纤光栅传感信号解调时，先给出光纤法-柏分析器扫描门控信号，再测量处理各个信号脉冲门控时限内所出现相对时刻。设Trise为门控信号开始， tb1、tb2、tm1、tm2……tmn分别为各脉冲相Trise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时间，如图3：

　　图3   解调信号波形

　　则各传感器所产生脉冲门控时限内所出现相对时刻，可由下列计算公式决定：

　　设 是已知三组数据，则对任意输入有：

　　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。测量任务就绪状态下被测量中断唤醒。界面任务选择串口终端或LCD上显示用户信息，并接受键盘输入，输入对系统工作参数、显示方式等做出相应调整。网络任务实现TCP/IP协议和套接字服务，它负责高层软件网络通信。网络服务时针对解调仪远程操作设计一个服务进程。它负责处理用户从网络发来请求并做出响应。各任务之间关系如图5所示。

图5   各任务间关系图

　　4个任务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采用基于优先级抢占式任务调度方式，其余任务不会影响到测量任务实时性。

　　系统针对测量数据实时记录要求，设计了一个文件服务系统。文件存储介质采用非易失性存储器NAND FLASH。NAND FLASH格式与MSDOS FAT文件系统格式相一致，本系统采用FAT文件系统。提供了一个服务进程，用户可以网络监控解调仪状态、数据文件等。

　　系统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硬件环境。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图形区。软件设计使用户可4个按键、LCD上功能菜单完成与系统交互操作。与界面任务设计相关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。系统主要功能和性能如下：

　　1）分辨率：满量程1/30000，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；

　　5）支持USB数据；

　　6）文件系统容量：32/64MB。

　　图6   实验原型系统

　　5   结论

　　本文实现系统代替目前布拉格光纤光栅解调较多使用“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性能和优点，功能也符合大多数工程应用领域所提出要求。原型系统现场实验证明，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处理方法，能够满足工程测量中基本要求，但要求进一步提高系统测量分辨率和准确性，则对信号处理方法需要改进。50次/s测量速度和1/30000分辨率也达到了S3C44B0微控制器直接处理限度。

  

参考文献:

[1]. ARM7TDMI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.