基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)*

楊　瑩，賈　磊，周曉旭，張佳鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)*

楊瑩，賈磊，周曉旭，張佳鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

光纖光柵傳感器作為光纖無源器件，因具有感測和傳輸雙重功能而受到廣泛關(guān)注，其核心技術(shù)之一是波長解調(diào)。研究并實(shí)現(xiàn)了一套基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。硬件系統(tǒng)包括寬帶光源、光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三部分，通過ARM控制整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行波長解調(diào)、數(shù)據(jù)傳輸。軟件系統(tǒng)是基于C#開發(fā)的C/S架構(gòu)的上位機(jī)軟件，人機(jī)交互方便，波長解調(diào)準(zhǔn)確，可將得到的波長數(shù)據(jù)解析為實(shí)際物理量，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

光纖光柵傳感器；ARM；C#.Net；數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)

0　引言

光纖光柵傳感器作為光纖無源器件，具有感測和傳輸雙重功能，測量過程中不受光源起伏、光纖彎曲等因素的干擾，信號(hào)傳輸過程中不受電磁干擾，測量穩(wěn)定性好，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電力、礦業(yè)、石化、建筑、橋梁、航空航天等領(lǐng)域。光纖光柵傳感器的工作原理是：光纖光柵的反射或投射譜的中心波長在受到外界物理量（溫度、應(yīng)變、壓力等）作用時(shí)會(huì)發(fā)生變化，且波長的變化量與外界物理量有確定的關(guān)系，因此數(shù)據(jù)解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)用的核心技術(shù)之一。目前，光纖光柵解調(diào)技術(shù)常用的方法有：可協(xié)調(diào)F-P濾波器法、衍射光柵分光、光纖M-Z干涉法、CCD陣列探測法。本文選用的是探測精度高、穩(wěn)定性好［1-4］的可協(xié)調(diào) F-P濾波器法。

本文介紹了一種基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)由不同功能模塊構(gòu)成，安裝方便，易于集成，可用于長期的現(xiàn)場測量。整個(gè)解調(diào)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。硬件系統(tǒng)包括寬帶光源、光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三部分，通過ARM控制整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行波長解調(diào)、數(shù)據(jù)傳輸；軟件系統(tǒng)是C#開發(fā)的C/S架構(gòu)的上位機(jī)軟件，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，運(yùn)行環(huán)境是Windows XP，系統(tǒng)人機(jī)交互方便，數(shù)據(jù)解調(diào)準(zhǔn)確，可將得到的波長數(shù)據(jù)解析為實(shí)際物理量并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，克服了現(xiàn)有數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)只解調(diào)波長、不解析實(shí)際物理量的弊端。

1　光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)

基于ARM與C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離器進(jìn)入耦合器射入光纖光柵傳感器，在外界物理變化的作用下，F(xiàn)BG傳感器的反射信號(hào)將發(fā)生偏移，反射信號(hào)經(jīng)過耦合器進(jìn)入F-P濾波器，F(xiàn)-P濾波器在驅(qū)動(dòng)電壓的作用下對(duì)反射回來的FBG傳感器的光波信號(hào)進(jìn)行腔長掃描。當(dāng)FBG傳感器反射波的波長和F-P濾波器的透射波長一致時(shí)，光電探測器即可探測到最大光強(qiáng)，并將探測到的微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過A/D采集進(jìn)入ARM處理器，ARM通過尋峰算法提取出與最大峰值相對(duì)應(yīng)的F-P濾波器驅(qū)動(dòng)電壓，由于驅(qū)動(dòng)電壓與透射波長近似線性相關(guān)即可得到反射波長。ARM處理器將得到的波長值通過RS232/485傳給上位機(jī)，上位機(jī)軟件通過配置文件及FBG傳感器的物理特性，求出對(duì)應(yīng)位置傳感器的待測物理量，并將物理數(shù)據(jù)通過曲線的形式呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便用戶提取歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

圖1　光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1硬件系統(tǒng)組成

光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為三部分，包括寬帶光源、光路系統(tǒng)(由光纖可調(diào)諧F-P濾波器、標(biāo)準(zhǔn)具及耦合器等光學(xué)器件構(gòu)成)、電路系統(tǒng)(主要包括電源供電模塊、ARM控制電路、光電轉(zhuǎn)換放大電路及 F-P驅(qū)動(dòng)掃描電路)。系統(tǒng)采用24 V直流供電。寬帶光源采用的輸出功率為13 dBm，工作波長范圍為1 537～1 568 nm，光譜紋波最大值為0.2 dB。光路系統(tǒng)中，光纖可協(xié)調(diào) F-P濾波器的自由光譜范圍為 100 nm，精度為 650，工作波長覆蓋C+L波段，最大調(diào)諧電壓為70 V，F(xiàn)SR小于18 V。光電轉(zhuǎn)換放大電路采用InGaAs PIN光電二極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號(hào)，通過一級(jí)放大將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過RC濾波濾出干擾信號(hào)，再通過第二級(jí)放大電壓信號(hào)，放大后的信號(hào)可以直接輸入ARM的A/D采集模塊。F-P驅(qū)動(dòng)掃描電路是將由 PIC16F877A輸出的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為鋸齒波信號(hào)，然后作用于F-P濾波器的壓電陶瓷上。系統(tǒng)的控制單元采用ARM處理器的LPC2114芯片，一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并嵌入128/256 KB的高速 Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，其控制流程圖如圖2所示。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出請(qǐng)求波長數(shù)據(jù)請(qǐng)求，控制系統(tǒng)將A/D采集值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，避免信號(hào)噪音對(duì)峰值解調(diào)產(chǎn)生干擾，再通過尋峰算法對(duì)數(shù)字濾波后的光譜進(jìn)行處理，出現(xiàn)波峰位置對(duì)應(yīng)的波長便是對(duì)應(yīng)光纖光柵傳感器的實(shí)際波長值［6-8］。

圖2　ARM控制流程圖

1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)只能得到波長數(shù)據(jù)，不能與傳感器排布的位置及實(shí)際物理量相對(duì)應(yīng)，用戶拿到數(shù)據(jù)后需進(jìn)行大量人工標(biāo)定操作，使用起來不方便。本系統(tǒng)可以很好地克服該弊端，創(chuàng)造更好的用戶體驗(yàn)。

當(dāng)ARM通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)后，軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、存庫、顯示。上位機(jī)軟件使用 C#開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用 SQL Server，運(yùn)行環(huán)境是Windows XP。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能：實(shí)時(shí)解調(diào)顯示通道波長、光譜數(shù)據(jù)以及定制的物理量（如溫度、應(yīng)變、位移等）；針對(duì)不同傳感器的計(jì)算公式，可實(shí)現(xiàn)高次多項(xiàng)式公式的編輯及運(yùn)算；具備遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)程操作功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控解調(diào)儀；具備實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程輸入數(shù)據(jù)庫功能；可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表功能。系統(tǒng)主界面如圖3所示，主要分為3個(gè)板塊：板塊1主要功能是系統(tǒng)控制，用于實(shí)現(xiàn)傳感器配置、解調(diào)儀配置、激光器開啟/關(guān)閉、采集開始/結(jié)束、退出系統(tǒng)等功能；板塊2主要用于采集數(shù)據(jù)的顯示；板塊3為信息欄，可顯示解調(diào)儀的實(shí)時(shí)狀態(tài)。采集配置主要包括【參數(shù)設(shè)置】和【通訊設(shè)置】等功能：參數(shù)設(shè)置可對(duì)傳感器的類型、修正傳感器、修正傳感器的類型、特征波長、校正系數(shù)、計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)置，方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜公式計(jì)算；通訊設(shè)置可用于配置遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸以及串口設(shè)置，用戶可以根據(jù)需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的IP地址和端口號(hào)用于遠(yuǎn)程登錄和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。解調(diào)參數(shù)可對(duì)光纖光柵解調(diào)儀8個(gè)通道的PEAKADC、DBMADC進(jìn)行設(shè)置，便于系統(tǒng)辨識(shí)所有傳感器的峰值數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢功能可向用戶提供系統(tǒng)解調(diào)的歷史數(shù)據(jù)，并可將其導(dǎo)出。主界面的【開啟激光器】用于控制內(nèi)部激光器的開啟和關(guān)閉，紅燈表示激光器關(guān)閉，綠燈表示激光器開啟；點(diǎn)擊【開始采集】，默認(rèn)進(jìn)入波長采集；點(diǎn)擊主界面的 【光譜】、【溫度】、【應(yīng)變】、【位移】、【力】按鈕，進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)采集界面，同時(shí)繪制相應(yīng)的物理量曲線。

圖3　光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)主界面

2　實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的可行性，將系統(tǒng)接入5個(gè)FBG光纖光柵應(yīng)變傳感器，在沒有應(yīng)變的情況下進(jìn)行解調(diào)，實(shí)驗(yàn)解調(diào)結(jié)果如表1所示。數(shù)據(jù)表明：解調(diào)的應(yīng)變波長與中心波長基本吻合，解調(diào)精度較高。從實(shí)驗(yàn)采集的光譜數(shù)據(jù)分析可得，光譜隨時(shí)間的波動(dòng)較小、信噪比高，波長解調(diào)準(zhǔn)確性高，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)，且解調(diào)精度可達(dá)到±0.1 pm，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　現(xiàn)場應(yīng)用

風(fēng)陵渡黃河特大橋于1994年11月建成通車，全長1 409 m，由主孔橋和邊孔橋組成。根據(jù)風(fēng)陵渡黃河公路特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測環(huán)境溫度、關(guān)鍵界面應(yīng)力、主梁振動(dòng)、吊桿內(nèi)力以及主梁變形，其中橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力是判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全最直接的指標(biāo)。整個(gè)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器采用光纖光柵傳感器，系統(tǒng)布設(shè)8個(gè)通道，每個(gè)通道16個(gè)光纖光柵傳感器，采用鎧裝、以貼片的方式固定于橋梁基體上。該系統(tǒng)主要由解調(diào)儀模塊、工控機(jī)主板、觸摸屏和電源模塊組成，多個(gè)傳感器通道可以同時(shí)解調(diào)多條光纖上的傳感器并進(jìn)行通道分析，獲得的所有數(shù)據(jù)可以通過觸摸屏顯示，也可以通過外接的通信和視頻接口傳至PC。

系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，分析測得的波長與應(yīng)變數(shù)據(jù)可知，數(shù)據(jù)整體變化趨勢及測得的應(yīng)變值與相應(yīng)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)物理參數(shù)理論變化值接近，說明光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)基本滿足橋梁健康監(jiān)測的需求，可以廣泛應(yīng)用。

4　結(jié)論

本文基于ARM與C#.Net開發(fā)了一套C/S架構(gòu)的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)，通過ARM實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的濾波、尋峰和波長計(jì)算，并將計(jì)算的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)軟件采用 C#.Net開發(fā)了一套光纖光柵數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于對(duì)采集的波長數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，方便人機(jī)交互。經(jīng)過長期重復(fù)性和穩(wěn)定性測試，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高速解調(diào)，且解調(diào)精度可達(dá)到±0.1 pm。將光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)在風(fēng)陵渡黃河大橋上進(jìn)行現(xiàn)場測試，其精度與穩(wěn)定性可以滿足橋梁健康監(jiān)測需求，說明系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］KERSEY A D，DANDRIDGE A，BURNS W K．Fiber optic gy-roscope technology［J］．Optic News，1989，15(11)．

［2］江毅.高級(jí)光纖傳感技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］姜德生，何偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況［J］.光電子·激光，2002，13(4)：420-430.

［4］何海濤，姚國珍.光纖光柵解調(diào)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2010，31(6)：42-45.

［5］周立功.ARM 微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［6］PENG P C，CHI S.A reliable architecture for FBG sensor systems［J］．Microwave and Optical Technology Letters，2003，39(6)：479-482.

［7］EDEN R，KLOWAK C，MUFTI A，et a1．First application of second generation steel-free deck slabs for bridge rehabilitation［C］.NDE for Health Monitoring and Diagnostics.International Society for Optics and Photonics，2004：86-94.

［8］常國偉.光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.山西交通科技，2014(2)：56-57.

FBG data demodulation system based on ARM and C#.Net

Yang Ying，Jia Lei，Zhou Xiaoxu，Zhang Jiapeng
(Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，China)

Fiber Bragg grating(FBG)sensor which is a passive fiber parts,has been widely concerned because it has the dual functions:the sensing measures of the data and the network transmission function.The key technology of FBG sensor is wavelength demodulation in this paper,a set of FBG wavelength demodulation system has been designed and realized based on ARM and C#.Net.The system design includes hardware and software.Hardware system includes broadband light source,optical path system and circuit system.ARM is used to control hardware system for wavelength demodulation and data transmission.Software system is implemented based on C/S structure,which is very convenient for the communication between user and computer and can demodulate the wavelength exactly.At the same time,the software system can parse the wavelength as the actual physical quantities and store relevant data in the database.

FBG sensor；ARM；C#.Net；data demodulation system

TP273+.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.04.013

山西省交通廳科技項(xiàng)目（2015-1-25）

（2015-12-16）

楊瑩（1988-），通信作者，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：交通領(lǐng)域機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開發(fā)，E-mail：yangying880418@163.com。

賈磊（1986-），男，碩士，工程師，主要研究方向：交通領(lǐng)域機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)、軟件系統(tǒng)開發(fā)。

周曉旭（1985-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)集成。

中文引用格式：楊瑩，賈磊，周曉旭，等.基于 ARM 與 C#.Net的光纖光柵數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (4)：46-48.

英文引用格式：Yang Ying，Jia Lei，Zhou Xiaoxu，et al.FBG data demodulation system based on ARM and C#.Net［J］.Application of Electronic Technique，2016，42(4)：46-48.