多通道光纖加速度測(cè)試分析系統(tǒng)的研究

段曉君，韓 焱

(中北大學(xué)，山西 太原030051)

0 引言

振動(dòng)的研究和測(cè)試是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)，在科學(xué)技術(shù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，采用MEMS技術(shù)制作微型傳感器是技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但目前僅限于電檢測(cè)方式的MEMS傳感器。系統(tǒng)采用MEMS技術(shù)集成制作包含彈性梁或軸、敏感質(zhì)量塊和微反射鏡的MEMS光纖振動(dòng)敏感芯片，MEMS振動(dòng)敏感芯片直接與光纖耦合構(gòu)成MEMS光纖振動(dòng)傳感器，適合批量生產(chǎn)、成本低、裝配簡(jiǎn)單，具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

目前，信號(hào)解調(diào)是光纖光柵傳感技術(shù)和光纖微機(jī)電傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化所面臨的難題之一，其核心問題在于發(fā)展低成本、大容量、高精度的信號(hào)解調(diào)的傳感分析儀，從而在充分發(fā)揮光纖傳感器在信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、信息容量大、成本低的優(yōu)勢(shì)，使光纖傳感器在性能與價(jià)格比上比傳統(tǒng)的機(jī)電傳感器更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1 基本原理

1.1 MEMS光纖加速度傳感器的技術(shù)原理

MEMS光纖加速度傳感器主要由雙光纖準(zhǔn)直器和MEMS振動(dòng)敏感芯片構(gòu)成。其中MEMS振動(dòng)敏感芯片由懸臂梁或者扭轉(zhuǎn)梁支撐的敏感質(zhì)量塊上鍍上一層光學(xué)反射膜形成。該結(jié)構(gòu)中光路為入射光纖中傳播的光從單模光纖纖芯出射后，依次經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，微鏡反射，再經(jīng)過微透鏡聚焦，聚焦后的光斑與出射光纖纖芯耦合。

1.2 分組同步式光纖傳感分析儀的技術(shù)原理

本文通過采用光開關(guān)和多組光同步分路器、分組切換電子開關(guān)和多通道同步數(shù)據(jù)采集器的組合，可實(shí)現(xiàn)大容量測(cè)量通道數(shù)擴(kuò)展，同時(shí)可對(duì)其中任意一組測(cè)量通道進(jìn)行同步實(shí)時(shí)測(cè)量，兼顧了容量擴(kuò)展與測(cè)量實(shí)時(shí)性的要求，可適用于波長(zhǎng)調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制等多種類型光纖傳感器的大容量、分組實(shí)時(shí)信號(hào)解調(diào)。

分組同步式大容量光纖傳感分析儀主要包括光源，1×24光開關(guān)，1×18光纖耦合器，光強(qiáng)參考模塊，432通道光電探測(cè)放大器，432選18分組切換電子開關(guān)，18通道同步數(shù)據(jù)采集器和嵌入式處理器。

光源發(fā)射出的光信號(hào)經(jīng)1×24光開關(guān)依次切換到24個(gè)1×18光纖耦合器，每個(gè)1×18光纖耦合器均與光強(qiáng)參考模塊和一組光纖傳感器(17個(gè)通道，每個(gè)通道可接入一只光纖傳感器)相連接，由光纖傳感器將各自入射光轉(zhuǎn)換成代表加速度輸出的反射光并經(jīng)光纖返回到光電探測(cè)放大器，光電探測(cè)放大器將光纖傳感器和光強(qiáng)參考模塊各自輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于采集的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)(該電壓輸出信號(hào)在光電探測(cè)放大器內(nèi)部采用射極跟隨器方式驅(qū)動(dòng)后輸出，電壓幅值受分組切換電子開關(guān)每次切換導(dǎo)通阻抗波動(dòng)的影響極小，從而保證了光纖傳感分析儀各測(cè)量通道具有良好的測(cè)量重復(fù)性)，通過432選18分組切換電子開關(guān)將當(dāng)前時(shí)刻432路光電探測(cè)放大器中有效的17路傳感信號(hào)和1路參考信號(hào)接入到18通道同步數(shù)據(jù)采集器完成A/D轉(zhuǎn)換，最后通過嵌入式處理器計(jì)算分析，獲得與傳感信號(hào)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)的被測(cè)物理量的數(shù)值。光強(qiáng)參考模塊通常為用于光纖傳輸線路損耗補(bǔ)償?shù)牡刃鞲衅?，其作用是?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源波動(dòng)和線路損耗的變化量，從而補(bǔ)償光源波動(dòng)和線路損耗對(duì)傳感信號(hào)的影響。嵌入式處理器可通過10/100 M以太網(wǎng)、RS232、RS422、USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他網(wǎng)絡(luò)處理器之間的數(shù)據(jù)通信。整體框架圖如圖1。

可以根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中所需要使用的光纖傳感器的類型和數(shù)量，靈活配置每組同步測(cè)量通道的數(shù)量以及光纖傳感分析儀測(cè)量通道的總數(shù)量，并在單臺(tái)分析儀上實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵傳感器、光纖微機(jī)電傳感器等多種類型光纖傳感器的信號(hào)解調(diào)，也可通過選配多組不同速率的同步數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)對(duì)各光纖傳感器的可變速率信號(hào)解調(diào)。

圖1 嵌入式處理器通過通信接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信框架圖

1.3 多通道分組同步式光纖傳感分析儀的關(guān)鍵技術(shù)

采用FPGA控制多片高速高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片同步工作，單塊同步數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)18路光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的100 Ksps同步采集，A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16 bit精度;采用多片DSP無(wú)縫連接陣列作為光纖傳感分析儀的數(shù)據(jù)處理核心，可提供每秒鐘6000MFLOPS運(yùn)算能力，對(duì)18路光纖加速度傳感信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線振動(dòng)譜分析處理及24×18路光纖加速度傳感信號(hào)的分組同步振動(dòng)譜分析處理。

由嵌入式處理器直接對(duì)每組18路光纖加速度傳感信號(hào)進(jìn)行頻域和時(shí)域分析變換，從而在線監(jiān)測(cè)評(píng)估地質(zhì)環(huán)境或機(jī)械設(shè)備的安全狀態(tài)。避免了由上位計(jì)算機(jī)做光譜計(jì)算分析時(shí)對(duì)上位計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的苛刻要求及CPU長(zhǎng)時(shí)間占用率過高導(dǎo)致的穩(wěn)定性隱患，并減小了加速度采集分析系統(tǒng)的體積和功耗，適應(yīng)了野外電池供電場(chǎng)合的長(zhǎng)時(shí)間工作要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光纖傳感分析儀多通道同步數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

光纖傳感分析儀內(nèi)部的同步數(shù)據(jù)采集器采用三片美國(guó)模擬器件公司(ADI)的AD7656芯片對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)進(jìn)行同步采集。

AD7656芯片基于ICMOS工藝制造，是高集成度、6通道16 bit逐次逼近(SAR)型ADC，內(nèi)含1個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%。AD7656在每通道250 kS/s采樣速率下的精度(±4 LSB最大值積分線性誤差)是同類產(chǎn)品的2倍?？梢詽M足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛?、多通道、高轉(zhuǎn)換速率和低功耗的要求。多通道同步數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2。

圖2 多通道同步數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)原理框圖

采用Altera公司Cylone系列的FPGA芯片EP1C20對(duì)三片AD7656進(jìn)行存取控制和參數(shù)設(shè)定。AD7656采集后的數(shù)據(jù)以并行格式由EP1C20按照軟件設(shè)定的速率進(jìn)行讀取，讀取的數(shù)據(jù)EP1C20首先在內(nèi)部的FIFO中緩存，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)置要求的存量時(shí)，EP1C20內(nèi)部寄存器的FIFO數(shù)據(jù)有效標(biāo)志被置位，同時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，通知光纖傳感分析儀內(nèi)部的嵌入式處理器讀取數(shù)據(jù)并完成后續(xù)處理。FPGA可編程邏輯設(shè)計(jì)原理框圖如圖3。

圖3 FPGA可編程邏輯設(shè)計(jì)原理框圖

2.2 光纖傳感分析儀嵌入式處理器設(shè)計(jì)

ADI公司和TI公司是DSP芯片的全球兩大主要供貨商，其芯片也代表了DSP領(lǐng)域的最高技術(shù)。TI公司的TMS系列處理器主要基于VLIW(超長(zhǎng)指令字)結(jié)構(gòu)，而ADI公司的SHARC系列DSP在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的平衡性，對(duì)于同一檔次的處理器，SHARC處理器明顯比TMS320處理器具有更強(qiáng)的功能。綜合性能、成本、停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等多方面考慮，特別是由于ADSP SHARC系列處理器提供了片間無(wú)縫連接的能力，使得在多DSP處理器系統(tǒng)中的外圍控制邏輯變得十分簡(jiǎn)單，因此，本項(xiàng)目中選用2片ADI公司的高性能ADSPTS201芯片作為光纖傳感分析儀的嵌入式處理器核心，TS201有4個(gè)全雙工的鏈路口。每個(gè)鏈路口包含收發(fā)各4位數(shù)據(jù)線，LVDS電平，信號(hào)速率為DCR(Double Clock Rate)500 MHz，因此可實(shí)現(xiàn)雙向1 000 Mbytes/s的數(shù)據(jù)吞吐量。這4個(gè)鏈路口可用于TS201之間的互連，也可用于TS201與外部設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)交換。

圖4 TS2014個(gè)鏈路示意圖

系統(tǒng)中，由兩片ADSP-TS201芯片構(gòu)成的嵌入式處理器最大運(yùn)算能力達(dá)到6000MFLOPS，外部接口通信能力高達(dá)5 000 MB/s，完全滿足光纖傳感分析儀對(duì)18～408只MEMS光纖振動(dòng)加速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和振動(dòng)譜在線分析(如圖5所示)。

圖5 分組同步式光纖傳感分析儀嵌入式處理器原理框圖

3 軟件需求分析和代碼編寫實(shí)現(xiàn)

與行業(yè)用戶密切合作，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求，編寫具有不同功能的振動(dòng)譜頻域變換分析模塊、時(shí)序統(tǒng)計(jì)分析模塊及組態(tài)軟件顯示插件，使客戶能夠以直觀的電子地圖方式，查看當(dāng)前被監(jiān)測(cè)設(shè)備或環(huán)境的振動(dòng)狀態(tài)。

4 結(jié)論

它是一項(xiàng)將21世紀(jì)先進(jìn)的微米/納米尺度MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))敏感芯片設(shè)計(jì)制造技術(shù)與光纖檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的新型光纖加速度檢測(cè)技術(shù)，具有全光測(cè)量和信號(hào)傳輸、高靈敏度、寬頻帶、體積小、可批量生產(chǎn)、一致性好、成本低等特點(diǎn)，適合在高溫高寒、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，解決了傳統(tǒng)光纖傳感器向微型化和批量生產(chǎn)時(shí)遇到的裝配困難及光纖傳感器難以實(shí)現(xiàn)大容量高速同步采集的問題。

［1］Hu Y，Chen S，Zhang L，et al.Multiplexing Bragg Grat-ing Using Combined Wavelength and Optical Division Techniques with Digital Resolution Enhancement［J］.E-lectronic Letters，1997，33(23):1973 －1975.