采用DSP的雙光柵匹配解調系統

　　本系統采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點(diǎn)DSP芯片可實(shí)現光纖光柵傳感信號的處理、步進(jìn)電機的控制和顯示等。該芯片具有強大的數據運算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內實(shí)現乘累加運算。其靈活的循環(huán)緩沖區和高效的C語(yǔ)言可使TMS320VC5402方便地實(shí)現數據的循環(huán)尋址與卷積運算，從而實(shí)現高速度解調。

　　2.2 系統軟件設計

　　DSP系統的軟件部分主要由初始化程序、線(xiàn)性插值子程序或者曲線(xiàn)擬合子程序、顯示程序、驅動(dòng)程序、中斷服務(wù)程序等幾部分組成，可以將A/D轉換和串行通訊代碼放在中斷服務(wù)程序中來(lái)實(shí)現。

　　初始化程序用于完成DSPI/O口、內部A/D轉換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調A/D轉換和步進(jìn)電機的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來(lái)控制步進(jìn)電機，以使經(jīng)過(guò)A/D轉換所得的數字信號與加在匹配光柵上的步數一一對應。顯示部分的程序可將此數字信號經(jīng)代數變換轉換為直接表示應力的數字量，然后通過(guò)查表動(dòng)態(tài)實(shí)現應力顯示。

　　當匹配光柵反射波長(cháng)與光纖光柵反射波的中心波長(cháng)重疊時(shí)，光電轉換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，然后由DSP執行中斷服務(wù)程序，以將DSP內部A/D轉換器轉換所得的數字量讀入DSP并保存起來(lái)，最后通過(guò)串行口發(fā)送到上位機再中斷返回。

　　3 實(shí)驗結果分析

　　由實(shí)驗可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過(guò)程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長(cháng)漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長(cháng)隨砝碼質(zhì)量變化的曲線(xiàn)圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長(cháng)變化量與懸臂梁自由端所施加的砝碼質(zhì)量成較好的線(xiàn)性關(guān)系，并且具有較高的靈敏度。

　　實(shí)驗中可通過(guò)增加砝碼的質(zhì)量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應力。兩個(gè)匹配光柵反射光信號分別被各自對應的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。

　　當PD1對應處理后的電壓信號值為5 V時(shí)，對應的點(diǎn)為A和C，即對應的有兩個(gè)光纖布拉格光柵的波長(cháng)值。因此，對于這個(gè)5 V電壓，解調系統無(wú)法直接判斷出對應的懸臂梁負載的質(zhì)量是A點(diǎn)還是C點(diǎn)所對應的質(zhì)量。對于雙光柵匹配解調系統，往往會(huì )存在兩個(gè)匹配光柵并對應兩個(gè)光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統可以通過(guò)PD1和PD2兩者所對應的電壓值來(lái)確定產(chǎn)生5V電壓時(shí)所添加的砝碼質(zhì)量。實(shí)際上，可通過(guò)DSP系統的運算處理得到匹配光柵中心波長(cháng)的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長(cháng)變化量。對于雙光柵匹配解調系統，對應的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴大傳感光柵的測量范圍。光電探測器的輸出經(jīng)信號調理電路后的電壓隨應力的變化曲線(xiàn)如圖5所示。

　　4 結束語(yǔ)

　　雙光柵匹配解調系統是以匹配法為基礎并加以改進(jìn)新方法。它繼承了匹配法結構簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)現容易等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，雙光柵匹配解調系統還解決了因光電探測器導致的測量范圍受限的問(wèn)題，也解決了匹配法中存在的雙值問(wèn)題。該解調系統將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進(jìn)行處理，不僅提高了響應速度，而且提高了解調的精度和穩定性。減小了匹配光柵因應力過(guò)大而損壞的可能性。利用拉力作為系統的待測量進(jìn)行解調實(shí)驗證明該系統具有良好的線(xiàn)性度、解調精度、速度及靈敏度。