基于嵌入式的光纖傳感檢測電路設(shè)計與實現(xiàn)

史振江 孫玉梅

1. 廣東開放大學（廣東理工職業(yè)學院）工程技術(shù)學院，廣東廣州 510091；2. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學院 測繪工程系，河北石家莊 050041

一、前言

溫度傳感器是指能感受外界溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出電信號的傳感器，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中應用很廣泛。光纖FBG溫度傳感器由于具有易于集成和埋覆測量、對傳感信息采用本征性波長編碼、免受電磁噪聲和光強波動干擾等優(yōu)點，尤其適用于在惡劣的環(huán)境中進行溫度監(jiān)測[1-3]。

嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應用需求對軟硬件進行裁剪，在人工智能、工業(yè)控制、汽車電子、無線通信等很多方面具有廣泛的應用。智能傳感器[4-8]是將傳感器檢測與嵌入式系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，充分利用微處理器進行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對內(nèi)部工作過程進行控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自診斷、自校準、自補償及遠程通信等功能。

本文利用三星公司的ARM處理器Exynos4412實現(xiàn)光纖FBG溫度傳感器的解調(diào)控制，基于Linux內(nèi)核和QT文件系統(tǒng)完成嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。測試結(jié)果表明，嵌入式系統(tǒng)的Linux內(nèi)核可以正常引導和啟動，QT圖形化界面可以實時顯示光纖反射譜峰值以及對應的溫度值。

二、系統(tǒng)框圖與原理分析

光纖光柵溫度解調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過耦合器耦合到傳感光柵中，傳感光柵將符合布拉格波長的光反射到可調(diào)光纖F-P濾波器中，ARM芯片控制D/A轉(zhuǎn)換電路輸出鋸齒波形狀的電壓，進而調(diào)節(jié)光纖F-P濾波器上的壓電陶瓷長度（即光纖F-P腔的腔長），當發(fā)射光信號通過光纖F-P濾波器出現(xiàn)最大透射光強記錄下對應的D/A轉(zhuǎn)換電路輸入的數(shù)字量。由于光纖F-P濾波器透射波長與施加于自身鋸齒波電壓之間具有線性對應關(guān)系，通過測量鋸齒波電壓值可以間接計算出光纖光柵的反射譜中心波長，實現(xiàn)光纖光柵溫度信號的解調(diào)。

解調(diào)電路由嵌入式控制電路、放大電路、濾波電路、整形電路、中斷產(chǎn)生電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、觸摸輸入電路和溫度顯示電路組成。解調(diào)電路的任務就是捕捉對應反射譜峰值的數(shù)字量、計算反射譜中心波長和對應的溫度值。

三、解調(diào)電路設(shè)計

1、放大濾波電路

放大濾波電路原理圖如圖2所示。光電探測器將光纖光柵的反射光變換成表征光強的電信號，經(jīng)過運放OPA37（U1）構(gòu)成的同相比例放大電路將信號放大3倍。放大后的信號再經(jīng)過OPA37（U2）構(gòu)成的二階有源低通濾波器進行放大和濾波，其放大倍數(shù)為3倍。即經(jīng)過放大和濾波電路后光電探測器輸出的電信號整體放大了9倍。放大濾波電路頻率特性如圖3所示，實現(xiàn)了低通濾波，通帶放大倍數(shù)為9，并且通帶內(nèi)幅值比較平坦。

2、整形電路

整形電路原理圖如圖4所示。整形電路利用比較器LM393構(gòu)成單限比較器，將反射譜電壓信號轉(zhuǎn)換成矩形脈沖電壓信號，當輸入信號大于2V參考電壓輸出高電平（約5V），反之當輸入信號小于2V參考電壓輸出低電平（約0V），整形電路仿真圖如圖5所示，正弦波是輸入信號，脈沖波是整形之后的輸出信號。直接捕捉傳感光柵反射波的中心波長峰值（如圖5中b點位置）很容易產(chǎn)生偏差，由于光柵反射波的對稱性可以首先捕捉到a點和c點的位置，然后取平均值的方法確定b點的位置，也就是光柵反射波中心波長峰值位置。

3、中斷產(chǎn)生電路

經(jīng)過整形電路后的波形是矩形波，對應每一個傳感光柵反射波會形成一個正脈沖，即一個上升沿和一個下降沿，然后觸發(fā)ARM控制器實現(xiàn)D/A輸入數(shù)據(jù)的保存。但是ARM控制器的中斷觸發(fā)方式不能同時為上升沿和下降沿，只能是上升沿或者下降沿。如果ARM控制器的中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，那么就需要把脈沖的下降沿也轉(zhuǎn)換成同一時刻的上升沿。中斷產(chǎn)生電路仿真圖如圖6所示，變換前的正脈沖經(jīng)過反相處理后變成變換后的負脈沖，利用變換前的上升沿a和變換后的上升沿d去觸發(fā)ARM控制器的中斷則可以在一個傳感光柵反射波時間內(nèi)產(chǎn)生兩次中斷。

4、D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖7所示。D/A轉(zhuǎn)換電路將來自ARM控制器IO引腳的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成鋸齒波電壓波形去調(diào)節(jié)光纖F-P濾波器上的壓電陶瓷長度（即光纖F-P腔的腔長），實現(xiàn)對反射譜的窄帶掃描。為了防止D/A轉(zhuǎn)換噪聲導致鋸齒波產(chǎn)生毛刺，在D/A轉(zhuǎn)換后加入了由運放構(gòu)成的二階低通濾波環(huán)節(jié)，D/A轉(zhuǎn)換電路仿真圖如圖8所示，由圖可見鋸齒波基本是光滑的。

5、ARM控制器

嵌入式控制芯片采用基于Cortex A9內(nèi)核的四核處理器Exynos4412，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。該芯片具有32kb指令，32kb數(shù)據(jù)緩存MMU，外部存儲器控制，提供LCD控制器，1通道的LCD專用DMA控制器，4通道DMA，3通道SPI，8通道IIC，4通道UART，兩主機USB口，看門狗定時器，1通道內(nèi)部定時器，4通道PWM定時器，117個通用IO引腳，具有多個外部請求引腳，帶日歷功能的RTC控制器，4通道12位ADC，具有PLL的片上時鐘發(fā)生器。由于ARM控制器具有豐富的片上資源，可以支持LINUX系統(tǒng)運行。

四、軟件設(shè)計

在Ubuntu12.04.2平臺上利用Qt creator 5.3.2軟件設(shè)計了解調(diào)系統(tǒng)的圖形界面，如圖10所示。采用C++語言編寫程序代碼，利用QT/E4.7.1庫進行程序編譯后生成可以在開發(fā)板上運行的QT可執(zhí)行文件。

首先在4412開發(fā)板上通過fastboot方式燒寫U-BOOT文件、包含底層驅(qū)動的內(nèi)核文件，以及QT文件系統(tǒng)。然后將在Qt creator 5.3.2軟件中編譯生成的QT可執(zhí)行文件拷貝到開發(fā)板上加載運行，運行界面如圖11所示。程序運行界面可以顯示光纖反射譜的波形和計算后的當前實時溫度，實現(xiàn)了光纖傳感反射信號檢測與解調(diào)功能。

五、結(jié)束語

本文利用ARM控制器和外圍硬件電路實現(xiàn)對光纖傳感信號的解調(diào)。利用multisim軟件對硬件電路進行了設(shè)計與仿真分析，利用linux+QT架構(gòu)實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)運行。