CN109506685A - 一种基于fpga+arm的光纤光栅解调仪的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于FPGA+ARM的光纤光栅解调仪的设计方法，首先ASE宽带光源发出的C波段光经可调谐F‑P滤波器、耦合器、环形器等入射到5路相对应的光电二极管，光电二极管将光信号转换为电信号；将光电二极管生成的电信号经过放大及滤波后输入到AD芯片，AD芯片将模拟信号转换为数字信号；数据采集、处理与存储采用FPGA+双端口RAM+ARM架构，FPGA利用半峰检测算法将采集到的数字信号进行阈值判断，寻找出光谱的中心点并将其存入到双端口RAM；双端口RAM作为缓存器存储光谱中心点，ARM从双端口RAM读取中心点数据后将其传送到上位机；上位机利用二次拟合的方法解调出光纤光栅的中心波长。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域。
背景技术
随着社会的发展及全球经济的不断增长，各种大型工程的结构健康监测越来越重要。光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)相比于传统电学传感器，具有质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，可以用来测量应力、温度、振动、气体浓度等多种物理量，因此被广泛应用于船舶、航空、电力和石油等领域。由于光纤光栅的传感信息由外界物理量对光纤光栅波长的调制来获取，因此光纤光栅传感信号的解调在光纤光栅传感技术应用中起着非常重要的作用。
通常解调仪的光路器件主要包括ASE宽带光源、可调谐F-P滤波器或者扫描激光器，外加耦合器、环形器等光无源器件。光纤光栅解调仪中的硬件架构主要由光电转换模块、数据采集与处理模块及数据存储与传输模块组成。一般光电转换模块由光电二极管及运放组成，其作用是将光栅的反射信号完成由光信号到电信号的转变，并将得到的电信号进行放大及滤波。信号采集模块通常由高速的ADC芯片搭配外围电路组成，起到将模数信号进行转换的作用。信号收集与处理模块一般由FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、ARM(Acorn RISC Machine)及DSP(Digital Signal Processor)作为主控芯片，在其内部可进行相关算法的编写，将采集得到的信号进行处理。信号存储与传输模块一般由SRAM(Static Random Access Memory)等存储芯片及串口、USB和网口组成，主要负责完成下位机与上位机之间的数据传输任务。常用的光纤光栅解调仪设计方法主要有基于FPGA的设计方法、基于ARM的设计方法、基于FPGA+DSP的设计方法。
本发明设计了一种基于FPGA+ARM的光纤光栅解调仪的设计方法，其特征为在光纤光栅解调仪设计中使用了FPGA+双端口RAM+ARM的数据处理架构，FPGA只负责采集与处理数据，双端口RAM负责存储数据，ARM负责与上位机进行通信。这种方法有利于提高光纤光栅解调仪的解调速率，有一定的实用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于FPGA(EP4CGX30CF23C7N)+双端口RAM(IDT70V27PF)+ARM(LPC3250)的光纤光栅解调仪的设计方法。实现本发明的技术解决方案为：首先ASE宽带光源发出的C波段光经可调谐F-P滤波器、耦合器、环形器等入射到5路相对应的光电二极管(其中四路与前端单峰滤波器相连，另外一路与光纤光栅相连)，光电二极管将接收到的光信号转换为电信号；光电二极管生成的电信号经过两级有源二阶低通滤波及放大后输入到AD芯片(AD9224,12bit)，AD芯片将模拟信号转换为数字信号；数据处理与存储采用的硬件电路架构是FPGA+双端口RAM+ARM，其中FPGA将采集到的数字信号利用半峰检测算法进行平均处理并进行阈值判断，进一步寻找出光谱的中心点并将其存入到双端口RAM；双端口RAM作为缓存器存储由FPGA接收到的光谱中心点数据；ARM从双端口RAM读取中心点数据后通过RS232串口将其传送到上位机；上位机利用二次拟合的方法解调出光纤光栅的中心波长。
附图说明
图1光纤光栅解调仪结构示意图。
图2本发明设计的基于FPGA+ARM的硬件架构示意图。
图3半峰检测算法示意图。
具体实施方式
光纤光栅解调仪结构示意图如图1所示。其中包括：ASE宽带光源、可调谐F-P滤波器(受三角波电压驱动)、耦合器、单峰滤波器、FPGA、双端口RAM、ARM、上位机。ASE宽带光源发出的C波段光经1×2耦合器(Coupler1)耦合入射到可调谐F-P滤波器，三角波电压驱动可调谐F-P滤波器对入射光进行选择性透射。当可调谐F-P滤波器对入射光信号完成选择透射输出后，其输出的光信号入射到下一级1×2耦合器(Coupler2)，经Coupler2输出的其中一路光信号入射到1×4耦合器(Coupler3)，Coupler3输出的四路光信号分别入射到对应的单峰滤波器(中心波长固定且已知，只能透射固定波长的光信号)；经1×2耦合器输出的另外一路光信号经过环形器(Circulator)之后入射到光纤光栅。单峰滤波器(DWDM)对光谱信号进行选择性透射，透射的光信号入射到光电转换模块。当可调谐F-P滤波器的透射光与光纤光栅的中心波长相匹配时，光纤光栅会反射回一个具有最大光功率的光谱信号，被反射的光信号经光环形器之后入射到光电转换模块。
透射光信号及光纤光栅反射光信号经光电二极管转变为电流信号，然后经过跨阻放大电路转变为电压信号。将电压信号通过巴特沃斯有源低通二阶滤波电路进行滤波并放大，得到纯净的电压信号。通过射频线(SMA接头)输入到主板的AD芯片。AD芯片将电压信号转换成数字信号并将其输送到FPGA。FPGA利用半峰检测算法进行平均处理并进行阈值判断，进一步寻找出光谱的中心点并将其存入到双端口RAM，如图2所示。FPGA中运行的半峰检测算法处理步骤如下：
5路A/D采样通道(与光电转换模块的5个通道相对应)分别设定一个波峰宽度寄存器widcnx(x＝1,2,3,4,5)，用以存储所采样的波峰的半峰宽度。当A/D芯片在32个时钟周期内采样得到的值大于或等于所设半峰阈值threshold时，widcntx开始自加1；当A/D采样得到的值小于或等于threshold，并且宽度寄存器的值widcntx大于宽度阈值widthreshold，那么就可以认为A/D采样得到的widcntx是一个正常光谱信号的半峰宽度。此时，保存widcntx和与之对应的此时count高16位的值，记为count1(count1＝count[21:5])。
如图3所示，纵坐标y代表光纤光栅反射光谱信号对应的电压值，x代表实际采样的点数(用计数器count高16位的值表示)。widcntx从A点开始计数，直到B点结束。此时B点的横坐标xB为count1，则对应光谱的中心波长的横坐标可用如下公式表示：
双端口RAM作为缓存器存储由FPGA接收到的光谱中心点数据。每存入一组数据之后，立即将widcntx清零。每个三角波驱动的上升沿会在双端口RAM中存入5组数据(对应A/D采样的5个通道)。当完成所预定的扫描周期之后(双端口RAM中存入与扫描周期相同数量的数据)，FPGA给ARM发送读取信号，ARM开始从双端口RAM里面读取数据。其数据存储格式如下所示：
ARM从双端口RAM读取中心波长数据后通过RS232串口将其传送到上位机；上位机利用二次拟合的方法解调出光纤光栅的中心波长。利用本发明设计方法制作的光纤光栅解调仪中心波长漂移量为±3pm，解调速率为30Hz。
Claims (1)
1.一种基于FPGA+ARM的光纤光栅解调仪的设计方法，其特征在于：首先ASE宽带光源发出的C波段光经可调谐F-P滤波器、耦合器、环形器入射到5路相对应的光电二极管，光电二极管将光信号转换为电信号；光电二极管生成的电信号经过放大及滤波后输入到AD芯片，AD芯片将模拟信号转换为数字信号；数据处理与存储采用的硬件电路架构是FPGA+双端口RAM+ARM其中FPGA利用半峰检测算法将采集到的数字信号进行平均处理并进行阈值判断，寻找出光谱的中心点并将其存入到双端口RAM；双端口RAM作为缓存器存储光谱中心点数据，ARM从双端口RAM读取中心点数据后通过RS232串口将其传送到上位机；上位机利用二次拟合的方法解调出光纤光栅的中心波长。
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