CN107607055A - 一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法 - Google Patents

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张卫方
李英武
高晓岩
任飞飞
张景玉
刘雪蓉
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Abstract

本发明提供一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，步骤如下：一，搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统；二，设计硬件系统的电源模块；三，设计光电转换模块；四，设计模拟数字采集模块；五，设计数据处理模块；采用FPGA和ARM处理器相结合的方法，实现对光栅传感器波长数据的解调以及智能涂层传感器数据的归一化处理；通过以上步骤，本发明实现了一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，能够对光纤和智能涂层传感器的数据进行处理，此外，硬件系统将各个功能封装成模块，简化了系统的设计工作，各模块之间可单独调试运行，便于降低系统复杂度，使系统升级、调试和维护等操作简单化。

Description

一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法
技术领域
本发明提供一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法,包括电源模块、数字模拟转换模块、光电转换模块、模拟数字采集模块、数据处理模块，能够实现对光纤波长数据的解调，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
光纤传感器由于具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、本征无源、易维护等优点，随着光纤技术的发展，使其在各种大型机电、石油化工、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中得到越来越广泛的应用。
智能涂层技术可实现对结构裂纹的监测，已经得到了实际的应用，但是因为智能涂层脆性较大，当其应用在监测结构时会存在虚警率较高的问题，即当结构未出现问题时，由于其他因素的影响导致其报警，因此限制了它的推广应用。
为解决智能涂层传感器虚警率较高的问题，并且由于光纤传感器主要监测大尺度应变场，不适宜于小尺度测量，相反，智能涂层在小尺度应变场监测的问题上有优势，因此在实际的应用中多同时使用两种传感器进行监测。
在现有的结构健康监测硬件系统中，往往使用的是单一的传感器，硬件系统能够在实际中应用的范围较小，且硬件系统的处理系统往往采用单一处理器，导致系统的并行处理能力、实时性较差，与片外扩展存储器以及与外设通讯复杂，另外，集成化的系统不便于系统进行升级、调试和维护等操作。基于以上现状和问题，本发明提出一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法。
发明内容
(一)本发明的目的是：
一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，以实现对光纤和智能涂层传感器的数据处理，同时利用模块化的封装，简化系统设计、调试和维护等操作。
(二)其具体技术方案如下：
本发明一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，它包括以下步骤：
步骤一，搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统，确定硬件系统所使用的开发板、编程语言和处理器；
步骤二，设计硬件系统的电源模块，为硬件系统的各个模块提供输入电压；
步骤三，设计光电转换模块；光电转换模块将光纤传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器，将电流信号转换成电压信号；
步骤四，设计模拟数字采集模块；将光纤和智能光栅传感器的信号，进行信号调理、滤波并实现数模转换(即Digital to Analog，以下简称AD)，将模拟信号转化为数字信号；
步骤五，设计数据处理模块；采用现场可编程门阵列(即Field－ProgrammableGate Array,以下简称FPGA)和ARM(即Acorn RISC Machine)处理器相结合的方法，实现对光栅传感器波长数据的解调以及智能涂层传感器数据的归一化处理。
其中，在步骤一中所述的“搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统”，是指使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用FPGA和ARM处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado 2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发；其具体作法如下：在计算机上安装版本为“Vivado 2015.4”的开发软件，新建名为“Hard”的工程，在工程中用软件语言进行编程，使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702调试，完成硬件系统的开发。
其中，在步骤二中所述的“设计硬件系统的电源模块”，是指提供5伏、12伏、-12伏和33伏电压，其中系统的输入电压为24伏；
采用TPS5430芯片将24伏输入电压降压到14伏，然后利用LT1763芯片将14伏电压稳压到12伏，然后再将14V电压降低到6.5伏，用LT1763-5芯片将6.5伏电压稳压到5伏；对于-12伏电路的获取，采用MAX766反相开关稳压器将上述得到的6.5伏电压转换为-15伏，然后利用负电压、低功率稳压器LT1964-1将电压稳定到-12伏；最后利用反相开关稳压器MC33063将得到的6.5伏电压升压到36伏，然后用差线性稳压器LT3010将电压稳定到33伏。
其中，在步骤三中所述的“设计光电转换模块”，是指利用InGaAs型PIN二极管将光纤传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器AD8304将电流信号转换成电压信号；其具体作法如下：使用InGaAs型PIN二极管，采用高低电平信号控制，将光纤传感器的光信号转按照换成电流信号，之后利用对数放大器AD8304，将电流信号转换成电压信号，使输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系。
其中，在步骤四中所述的“设计模拟数字采集模块”，是指采用型号为AD9244的高速AD采集芯片进行数据采集，采样频率为5兆Hz；其具体作法如下：采用型号为AD9244高速AD采集芯片进行数据采集，能够将连续的模拟信号，通过数据采集变成间隔的数字信号，采集的频率为5兆Hz，即1秒内采集5兆个数据。
其中，在步骤五中所述的“设计数据处理模块”，是指采用FPGA和ARM相结合的方法，FPGA高速实时采集光纤和智能涂层传感器的信号，对光纤传感器的信号进行二阶滞后滤波后实时寻找峰值位置，然后将峰值位置信息通过内部AXI总线协议传输到ARM端，实现光纤波长的解调，对智能涂层传感器的信号进行归一化处理(即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式，成为标量)，将解调后的光纤波长信息和归一化处理后的智能涂层传感器信息在ARM端进行打包，通过网络通信协议(TCP/IP协议)发送到计算机端处理。
通过以上步骤，实现了一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，能够对光纤和智能涂层传感器的数据进行处理，此外，硬件系统将各个功能封装成模块，简化了系统的设计工作，各模块之间可单独调试运行，便于降低系统复杂度，使系统升级、调试和维护等操作简单化。
(三)本发明的优点在于：
一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，能够对光纤传感器的波长信号进行解调，同时对智能涂层传感器的数据进行处理，相比于对单一的传感器进行处理的硬件系统，本发明能同时使用光纤和智能涂层传感器，并且结合FPGA和ARM，硬件解调系统不仅有强大的并行信号处理能力，在应对控制复杂度低、数据量大的运算时具有较强的优势，而且具有高可靠性的片内信号离散化过程。ARM处理器与FPGA可编程逻辑门阵列相结合，串行和并行处理能力强，发挥了FPGA逻辑控制对大量数据进行高速处理的优势以及ARM软件编程灵活的特点。本发明采用AXI总线协议来实现ARM与FPGA的通信，这不仅简化了ARM与FPGA之间的通讯，也使片外扩展存储器以及与外设通讯变得相对简单，基于ARM的FPGA能够对逻辑资源进行动态配置，灵活快速地对系统功能进行切换，节省逻辑资源，能够满足大规模应用的需求。
附图说明
图1本发明所述方法流程图。
具体实施方式
本发明一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，见图1所示，其具体步骤如下：
步骤一，搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统，确定硬件系统使用的开发板、编程语言和处理器。本发明使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用FPGA和ARM处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado2015.4”的开发软件进行开发；
步骤二，电源模块的设计。本发明中所用模数转换(即Analog to Digital，以下简称AD)芯片、数模转换(即Digital to Analog，以下简称DA)芯片、光电探测电路等模块需要提供输入电压。系统中电源模块主要提供5伏、12伏、-12伏和33伏电压。其中系统的输入电压为24伏。
本发明采用TPS5430芯片将24伏输入电压降压到14伏，然后利用LT1763芯片将14伏电压稳压到12伏，然后再将14V电压降低到6.5伏，用LT1763-5芯片将6.5伏电压稳压到5伏。对于-12伏电路的获取，采用MAX766反相开关稳压器将上述得到的6.5伏电压转换为-15伏，然后利用负电压、低功率稳压器LT1964-1将电压稳定到-12伏。最后利用反相开关稳压器MC33063将得到的6.5伏电压升压到36伏，然后用差线性稳压器LT3010将电压稳定到33伏。
步骤三，光电转换模块的设计需要满足光电变换能力强、响应速度灵敏、可靠性好、稳定性高等要求。光电转换模块将光纤传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器，将电流信号转换成电压信号。
通过光电检测器件的性能参数的对比，如表1所示，本发明选择了PIN光电二极管为光电转换的器件，在此基础上对Si、Ge、InGaAs三种类型的PIN二极管的性能作出对比，如表2所示，最后选择InGaAs型PIN二极管作为本发明使用的光电二极管。
由于本发明所述方法只需要得到峰值位置信息，所以对于光电二极管输出的电信号采用对数放大器“AD8304”进行放大，最终得到与光信号对应的电压信号。
表1光电检测器件的性能参数对比
注：“T”为时间特性的简写；“D”为噪声特性的简写。
表2Si、Ge、InGaAs三种类型的PIN二极管的性能对比
材料 响应波长(mm) 响应度峰(A/W) 响应时间(ns)
Si-PIN 400-1100 0.6 0.5-1.0
Ge-PIN 800-1650 0.5 0.1-0.5
InGaAs-PIN 1100-1700 0.9 0.05-0.5
注：“Si-PIN”为硅PIN光电二极管；“Ge-PIN”为锗PIN光电二极管；“InGaAs-PIN”为铟镓砷PIN光电二极管。
步骤四，AD采集模块设计。光纤传感器的光信号通过光电转换模块后成为电信号，智能涂层传感器的信息采集之后即为电信号，通过对电信号调理、滤波并进行AD采集，将模拟信号转化为数字信号。本发明采用型号为AD9244的高速AD采集芯片进行数据采集，采样频率为5兆Hz。
步骤五，数据处理模块设计采用FPGA和ARM相结合的方法，FPGA高速实时采集光纤传感器的信号，进行二阶滞后滤波后实时寻找峰值位置，然后将峰值位置信息通过内部AXI总线协议传输到ARM端，实现光纤波长的解调。
智能涂层传感器通过对电阻值的信息进行归一化处理，方便之后数据的进一步使用。设智能涂层传感器电阻值信息每个数据xi，及所有数据的最大值xmax，采用以下方法进行归一化处理：
其中Xi为每个数据归一化处理后的值，N为数据总数，xmax为所有数据的最大值。
将解调后的光纤波长信息和归一化处理后的智能涂层传感器信息在ARM端进行打包，通过网络通信协议(TCP/IP协议)发送到计算机端处理。

Claims (6)

1.一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一，搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统，确定硬件系统所使用的开发板、编程语言和处理器；
步骤二，设计硬件系统的电源模块，为硬件系统的各个模块提供输入电压；
步骤三，设计光电转换模块；光电转换模块将光纤传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器，将电流信号转换成电压信号；
步骤四，设计模拟数字采集模块；将光纤和智能光栅传感器的信号，进行信号调理、滤波并实现数模转换即AD，将模拟信号转化为数字信号；
步骤五，设计数据处理模块；采用FPGA和ARM处理器相结合的方法，实现对光栅传感器波长数据的解调以及智能涂层传感器数据的归一化处理；
通过以上步骤，实现了一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，能够对光纤和智能涂层传感器的数据进行处理，此外，硬件系统将各个功能封装成模块，简化了系统的设计工作，各模块之间能单独调试运行，便于降低系统复杂度，使系统升级、调试和维护操作简单化。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“搭建光纤和智能涂层传感器的结构健康监测硬件系统”，是指使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702，该集成开发板采用FPGA和ARM处理器相结合的平台，并采用版本为“Vivado 2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发；其具体作法如下：在计算机上安装版本为“Vivado 2015.4”的开发软件，新建名为“Hard”的工程，在工程中用软件语言进行编程，使用型号为XC7Z020-1CLG484I的集成开发板Miz702调试，完成硬件系统的开发。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“设计硬件系统的电源模块”，是指提供5伏、12伏、-12伏和33伏电压，其中系统的输入电压为24伏；
采用TPS5430芯片将24伏输入电压降压到14伏，然后利用LT1763芯片将14伏电压稳压到12伏，然后再将14V电压降低到6.5伏，用LT1763-5芯片将6.5伏电压稳压到5伏；对于-12伏电路的获取，采用MAX766反相开关稳压器将上述得到的6.5伏电压转换为-15伏，然后利用负电压、低功率稳压器LT1964-1将电压稳定到-12伏；最后利用反相开关稳压器MC33063将得到的6.5伏电压升压到36伏，然后用差线性稳压器LT3010将电压稳定到33伏。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“设计光电转换模块”，是指利用InGaAs型PIN二极管将光纤传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器AD8304将电流信号转换成电压信号；其具体作法如下：使用InGaAs型PIN二极管，采用高低电平信号控制，将光纤传感器的光信号转按照换成电流信号，之后利用对数放大器AD8304，将电流信号转换成电压信号，使输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“设计模拟数字采集模块”，是指采用型号为AD9244的高速AD采集芯片进行数据采集，采样频率为5兆Hz；其具体作法如下：采用型号为AD9244高速AD采集芯片进行数据采集，能够将连续的模拟信号，通过数据采集变成间隔的数字信号，采集的频率为5兆Hz，即1秒内采集5兆个数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤和智能涂层传感器的硬件系统的实现方法，其特征在于：
在步骤五中所述的“设计数据处理模块”，是指采用FPGA和ARMM处理器相结合的方法，FPGA高速实时采集光纤和智能涂层传感器的信号，对光纤传感器的信号进行二阶滞后滤波后实时寻找峰值位置，然后将峰值位置信息通过内部AXI总线协议传输到ARM端，实现光纤波长的解调，对智能涂层传感器的信号进行归一化处理，将解调后的光纤波长信息和归一化处理后的智能涂层传感器信息在ARM端进行打包，通过网络通信协议即TCP/IP协议发送到计算机端处理。
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