基于S3C44B0的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統

布拉格光纖光柵傳感器的輸出是光信號，分析識

本文以基于ARM7的32位嵌入式微控器S3C44B0[1]為硬件核心，uC/OS-II [2]嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為軟件平臺，設計并實(shí)現了一套嵌入式的具有圖形化人機界面、Internet網(wǎng)絡(luò )接口、文件服務(wù)與數據記錄、多種通信接口等功能的布拉格光纖光柵傳感信號處理系統。

2 系統工作原理與硬件設計

布拉格光纖光柵傳感器常常用在特殊和重要領(lǐng)域，作為布拉格光纖光柵傳感器信號處理系統，不僅要求能夠準確可靠、高性能地完成傳感信號的解調工作，工程上還常常要求系統具有高標準的附加功能，如：Internet連接、USB接口、標準串行口、非易失性數據記錄、圖示化人機界面、便攜等，要達到這些要求，采用嵌入式微控器作為系統的控制核心是一種最佳選擇。

系統的控制核心還須控制布拉格光纖光柵傳感信號的解調和對解調后信號的處理。用于布拉格光纖光柵傳感信號解調的光纖法-柏分析器事實(shí)上是一個(gè)壓控的光帶通濾波元件，如果給布拉格光纖光柵傳感器注入寬帶光信號，將布拉格光纖光柵反射的窄帶光加到光纖法-柏分析器的輸入端，通過(guò)給光纖法-柏分析器的壓控端加上一個(gè)三角形的掃描電壓，則在光纖法-柏分析器的輸出端即可得到一個(gè)與輸入窄帶光光譜相對應的時(shí)間域電信號。這個(gè)時(shí)域信號經(jīng)過(guò)放大、整形，處理為一個(gè)系列脈沖信號，這個(gè)系列脈沖信號中的各個(gè)脈沖在時(shí)間域上的相對位置就包含了布拉格光纖光柵傳感器反射的窄帶光光譜信息。圖1指示了這個(gè)解調過(guò)程。由于布拉格光纖光柵僅反射特定波長(cháng)的光波，通過(guò)合理設計各傳感器反射的中心頻率，布拉格光纖光柵傳感器可以串連使用。工程中一般設計成將多個(gè)傳感器串連使用，這樣，每個(gè)信號解調器就可以同時(shí)完成對多個(gè)傳感器的解調工作。這也是布拉格光纖光柵傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖1 布拉格光纖光柵傳感信號解調過(guò)程

識別脈沖信號中各個(gè)脈沖所出現的相對時(shí)刻是對這個(gè)信號進(jìn)行處理的主要任務(wù)，對它的識別精度直接關(guān)系到系統測量精度和性能。按照工程上要求和現有光纖法-柏分析器性能指標，要求系統測量速度不小于50次/秒，測量分辨率大于1/30000。這就要求脈沖時(shí)間識別的分辨率達到1/1500000秒，約為0.67uS?？紤]到光纖法-柏分析器要求的回掃時(shí)間損失，脈沖時(shí)間識別的實(shí)際分辨率必須小于0.50uS。

S3C44B0微控器的定時(shí)器是按每2個(gè)系統時(shí)鐘周期為單位計時(shí)。因此，若采用S3C44B0微控器，系統時(shí)鐘頻率設定64MHz，用定時(shí)器計時(shí)，則計時(shí)分辨率為Δt1=2/64 us。在一個(gè)單一的中斷系統中，S3C44B0的中斷響應時(shí)間為5~29個(gè)時(shí)鐘周期。執行指令所需的固定時(shí)間和中斷響應最短時(shí)間可以通過(guò)軟件予以消除，而可能產(chǎn)生不可預計的最大計時(shí)誤差Δt2為24個(gè)時(shí)鐘周期，即Δt2=24/64 us。設：

ΔT=|Δt1|+|Δt2| = 0.4 us (1)

則通過(guò)軟件設計，可以使系統總的計時(shí)誤差在ΔT/2，即0.2 uS 之內，可以滿(mǎn)足系統要求。直接利

針對上述各項要求，我們以S3C44B0微控器為核心，設計了一套布拉格光纖光柵傳感信號處理系統。整個(gè)系統的硬件原理如圖2所示。

圖2 系統的硬件原理圖

系統對布拉格光纖光柵傳感信號解調時(shí)，先給出光纖法-柏分析器掃描的門(mén)控信號，再測量經(jīng)過(guò)處理的各個(gè)信號脈沖在門(mén)控時(shí)限內所出現的相對時(shí)刻。設Trise為門(mén)控信號開(kāi)始， tb1、tb2、tm1、tm2……tmn分別為各脈沖相對于Trise的時(shí)間，其中，tb1、tb2為光纖法-柏分析器解調參考基準，tm1、tm2……tmn是n個(gè)不同波長(cháng)傳感器所產(chǎn)生脈沖的時(shí)間，如圖3：

圖3 解調信號波形

則各傳感器所產(chǎn)生脈沖在門(mén)控時(shí)限內所出現的相對時(shí)刻，可由下列計算公式?jīng)Q定：

設是已知的三組數據，則對任意的輸入有：

圖4 標定關(guān)系

3 系統軟件設計

本系統采用uC/OS-II作為操作系統，負責任務(wù)的調度和任務(wù)間通信。系統一共設有4個(gè)任務(wù)：測試任務(wù)、界面交互任務(wù)、網(wǎng)絡(luò )任務(wù)和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)任務(wù)。測量任務(wù)在就緒狀態(tài)下被測量中斷喚醒。同時(shí)該任務(wù)還可以和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)任務(wù)和界面交互任務(wù)通信，接受用戶(hù)的參數更改。界面任務(wù)選擇在串口終端或LCD上顯示用戶(hù)信息，并接受鍵盤(pán)輸入，根據輸入對系統工作參數、顯示方式等做出相應調整，或將指令傳遞給測量任務(wù)。網(wǎng)絡(luò )任務(wù)實(shí)現TCP/IP協(xié)議和套接字服務(wù)，它負責高層軟件的網(wǎng)絡(luò )通信。網(wǎng)絡(luò )服務(wù)時(shí)針對解調儀的遠程操作設計的一個(gè)服務(wù)進(jìn)程。它負責處理用戶(hù)從網(wǎng)絡(luò )發(fā)來(lái)的請求并做出響應。各任務(wù)之間關(guān)系如圖5所示。

4個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級安排從高到低為：測量任務(wù)――界面任務(wù)――網(wǎng)絡(luò )任務(wù)――網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。uC/OS-II采用基于優(yōu)先級的搶占式任務(wù)調度方式，所以，其余任務(wù)不會(huì )影響到測量任務(wù)的實(shí)時(shí)性。

圖5 各任務(wù)間關(guān)系圖

系統針對測量數據實(shí)時(shí)記錄的要求，設計了一個(gè)文件服務(wù)系統。文件的存儲

系統的界面任務(wù)設計是針對4個(gè)輸入按鍵、一個(gè)RS232接口和一個(gè)320*240彩色LCD的硬件環(huán)境。在LCD屏幕區設計有系統操作功能菜單，以及顯示測量數據變化曲線(xiàn)的圖形區。軟件設計使得用戶(hù)可通過(guò)4個(gè)按鍵、LCD上的功能菜單完成與系統的交互操作。與界面任務(wù)設計相關(guān)的信息也同時(shí)以文本格式輸出到串口終端。

4 系統實(shí)現

實(shí)驗原型系統如圖6。系統的主要功能和性能如下：

1）分辨率：滿(mǎn)量程1/30000，最大測量速度：50次/s；
2）圖形界面，4鍵控制，320*240 彩色LCD顯示；
3）支持串口終端操作；
4）網(wǎng)絡(luò )遠程監控和歷史數據下載；
5）支持USB數據下載；
6）文件系統容量：32/64MB。

圖6 實(shí)驗原型系統

5 結論

本文實(shí)現的系統代替目前布拉格光纖光柵解調較多使用的“上位PC機+下位單片機”模式有了較大進(jìn)步，該系統能夠較好發(fā)揮布拉格光纖光柵傳感器的性能和優(yōu)點(diǎn)，功能也符合大多數工程應用領(lǐng)域所提出的要求。原型系統經(jīng)過(guò)現場(chǎng)實(shí)驗證明，測量指標達到設計要求，運行穩定。

系統對光纖法-柏分析器輸出信號處理時(shí)采用了較為簡(jiǎn)單的處理方法，雖然能夠滿(mǎn)足工程測量中的基本要求，但如果要求進(jìn)一步提高系統測量分辨率和準確性，則對信號的處理方法需要改進(jìn)。50次/s的測量速度和1/30000分辨率也達到了S3C44B0微控制器直接處理的最大限度。

參考文獻

[1] S3C44B0X RISC MICROPROCESSOR.Samsung Electronics.2001
[2] Jean J. Labrosse.邵貝貝譯.uCOS-II－源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統.北京.中國電力出版社. 2001
[3] http://www.sics.se/~adam/lwip/