基于單片機的光纖光柵解調器設計

在本解調系統中采用的是武漢理工光科股份有限公司生產(chǎn)的光纖光柵作為測量光柵，基于F-P腔原理的波長(cháng)選擇器作為解調腔，測量的范圍能夠達到30nm，三角波掃描信號的周期為1s，測量的頻率1Hz。把三角波掃描信號的上升沿分成能夠達到設計精度的有限多個(gè)計數點(diǎn)，這樣就可以用單片機讀出FBG1、FBG2、…..FBGn光柵陣列及標準光柵脈沖信號在三角波上升沿中的位置值了。另一個(gè)單片機的功能就是利用這些值算出波長(cháng)，并與計算機進(jìn)行數據通訊。電路圖如圖所示。這里單片機選用是89C52，用4060產(chǎn)生一個(gè)穩定的計數脈沖，當三角波開(kāi)始時(shí)1號單片機計數，有脈沖到來(lái)時(shí)，記下計數器的值并存入片內RAM；三角波到最高點(diǎn)時(shí)計數器清零，把位置值送入雙口RAM，然后等待下一次計數。CPU1開(kāi)始計數時(shí)CPU2把數據從雙口RAM中取出，通過(guò)插值或其他的算法計算出脈沖對應的波長(cháng)值或者溫度值并與計算機通訊。

電路簡(jiǎn)圖

我們可以通過(guò)單片機的其它的I/O口同時(shí)輸入更多的測量脈沖。改進(jìn)光路和模擬電路部分，就可以制作2通道、4通道的光纖光柵解調儀，提供更多的測量點(diǎn)，而數字電路完全不需改動(dòng)，只需對軟件部分進(jìn)行調整即可。

3、系統分析和數據處理

單片機要完整正確的記下每個(gè)脈沖，那么它的計數、傳送指令要在每個(gè)脈沖的脈寬內完成，如果脈沖寬度只有1個(gè)計數單位，即計數、傳送指令需要在約為10微秒的時(shí)間內完成，AMTEL的89C52最高工作頻率能達到24MHz, 這時(shí)其時(shí)鐘周期為0.5微秒,那么只要計數、傳送的指令周期不超過(guò)20個(gè)時(shí)鐘周期,就能達到要求，合理的讀寫(xiě)程序顯然是能夠滿(mǎn)足這個(gè)要求的。而通常脈沖的寬度一般遠大于1個(gè)計數單位，所以脈沖的變化是能夠實(shí)時(shí)記錄的。同時(shí)2號單片機有1s的時(shí)間把數據從RAM取出，算出脈沖的中值，然后進(jìn)行插值計算，時(shí)間也是足夠的。如果算法過(guò)于復雜，例如采用拉格朗日算法等等，也可以把位置值傳送給計算機進(jìn)行數據處理。

把數據從單片機傳送給計算機的過(guò)程中數據可能會(huì )出現錯誤，通訊程序中必須加入糾錯處理，可以采用奇偶校驗的方法，例如單字節校驗或者多個(gè)字節校驗等等。同時(shí)為了防止光柵位置值的偶爾突變，有必要對位置值進(jìn)行平滑處理。通過(guò)以上的處理方法，計算機能夠得到一組正確、穩定的數據。為了減小F-P腔的漂移及系統非線(xiàn)性對位置值的影響，我們采用標準光柵來(lái)與測量光柵進(jìn)行比較計算，可以采用線(xiàn)性算法進(jìn)行計算。但是在實(shí)際的運用中，發(fā)現待測光柵離標準光柵較近時(shí)，測量值越準確；較遠處則誤差相對較大。為了進(jìn)一步提高精度，可以采用2標準、5標準或者梳狀濾波器來(lái)進(jìn)行分段線(xiàn)性插值計算，這樣就能大大提高測量的精度，當然也可以采用拉格朗日算法或者多次項公式等更復雜的方法來(lái)進(jìn)行波長(cháng)計算。在我們的儀表中采用的是5標準光柵的拉格朗日算法來(lái)計算波長(cháng)，溫度的測量精度能達到±1℃。

4、結束語(yǔ)

脈沖的相對位置值與波長(cháng)的關(guān)系目前無(wú)法由理論知識推導得到, 但是可以通過(guò)實(shí)驗, 用數理統計的方法找出變化規律從而找出它們之間的對應關(guān)系。 利用此對應關(guān)系, 在單片機中進(jìn)行有關(guān)數據處理, 從而得到所測溫度或應力的大小。目前我們采用拉格朗日算法，并使用一些合適的數據處理和標定的方法，就目前解調儀的工作情況來(lái)看，效果還是可以的，測量精度能夠達到±5pm，重復性最大誤差為8pm。為了提高解調儀的工作頻率，提高解調儀的適用性，也可以采用基于DSP或者DSP＋ARM的解調電路，但成本相對就要高些。

FBG 光柵有廣闊的應用前景, 在通信、建筑、機械、醫療、航天、航海、礦業(yè)都能發(fā)揮重要作用，有關(guān)于FBG 光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就。采用合適的解調技術(shù)，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動(dòng)光纖光柵傳感器在實(shí)際工程中得到廣泛的應用。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn): 基于單片機的光纖光柵解調儀是一種適于實(shí)際工程應用的解調系統,大幅降低光纖光柵解調系統的成本,便于在工業(yè)現場(chǎng)的使用，使得光纖光柵傳感器能夠在實(shí)際工程應用中得到迅速的推廣。