基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)器設(shè)計

在本解調(diào)系統(tǒng)中采用的是武漢理工光科股份有限公司生產(chǎn)的光纖光柵作為測量光柵，基于F-P腔原理的波長選擇器作為解調(diào)腔，測量的范圍能夠達(dá)到30nm，三角波掃描信號的周期為1s，測量的頻率1Hz。把三角波掃描信號的上升沿分成能夠達(dá)到設(shè)計精度的有限多個計數(shù)點，這樣就可以用單片機(jī)讀出FBG1、FBG2、…..FBGn光柵陣列及標(biāo)準(zhǔn)光柵脈沖信號在三角波上升沿中的位置值了。另一個單片機(jī)的功能就是利用這些值算出波長，并與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。電路圖如圖所示。這里單片機(jī)選用是89C52，用4060產(chǎn)生一個穩(wěn)定的計數(shù)脈沖，當(dāng)三角波開始時1號單片機(jī)計數(shù)，有脈沖到來時，記下計數(shù)器的值并存入片內(nèi)RAM；三角波到最高點時計數(shù)器清零，把位置值送入雙口RAM，然后等待下一次計數(shù)。CPU1開始計數(shù)時CPU2把數(shù)據(jù)從雙口RAM中取出，通過插值或其他的算法計算出脈沖對應(yīng)的波長值或者溫度值并與計算機(jī)通訊。

電路簡圖

我們可以通過單片機(jī)的其它的I/O口同時輸入更多的測量脈沖。改進(jìn)光路和模擬電路部分，就可以制作2通道、4通道的光纖光柵解調(diào)儀，提供更多的測量點，而數(shù)字電路完全不需改動，只需對軟件部分進(jìn)行調(diào)整即可。

3、系統(tǒng)分析和數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)要完整正確的記下每個脈沖，那么它的計數(shù)、傳送指令要在每個脈沖的脈寬內(nèi)完成，如果脈沖寬度只有1個計數(shù)單位，即計數(shù)、傳送指令需要在約為10微秒的時間內(nèi)完成，AMTEL的89C52最高工作頻率能達(dá)到24MHz, 這時其時鐘周期為0.5微秒,那么只要計數(shù)、傳送的指令周期不超過20個時鐘周期,就能達(dá)到要求，合理的讀寫程序顯然是能夠滿足這個要求的。而通常脈沖的寬度一般遠(yuǎn)大于1個計數(shù)單位，所以脈沖的變化是能夠?qū)崟r記錄的。同時2號單片機(jī)有1s的時間把數(shù)據(jù)從RAM取出，算出脈沖的中值，然后進(jìn)行插值計算，時間也是足夠的。如果算法過于復(fù)雜，例如采用拉格朗日算法等等，也可以把位置值傳送給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

把數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送給計算機(jī)的過程中數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)錯誤，通訊程序中必須加入糾錯處理，可以采用奇偶校驗的方法，例如單字節(jié)校驗或者多個字節(jié)校驗等等。同時為了防止光柵位置值的偶爾突變，有必要對位置值進(jìn)行平滑處理。通過以上的處理方法，計算機(jī)能夠得到一組正確、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為了減小F-P腔的漂移及系統(tǒng)非線性對位置值的影響，我們采用標(biāo)準(zhǔn)光柵來與測量光柵進(jìn)行比較計算，可以采用線性算法進(jìn)行計算。但是在實際的運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)待測光柵離標(biāo)準(zhǔn)光柵較近時，測量值越準(zhǔn)確；較遠(yuǎn)處則誤差相對較大。為了進(jìn)一步提高精度，可以采用2標(biāo)準(zhǔn)、5標(biāo)準(zhǔn)或者梳狀濾波器來進(jìn)行分段線性插值計算，這樣就能大大提高測量的精度，當(dāng)然也可以采用拉格朗日算法或者多次項公式等更復(fù)雜的方法來進(jìn)行波長計算。在我們的儀表中采用的是5標(biāo)準(zhǔn)光柵的拉格朗日算法來計算波長，溫度的測量精度能達(dá)到±1℃。

4、結(jié)束語

脈沖的相對位置值與波長的關(guān)系目前無法由理論知識推導(dǎo)得到, 但是可以通過實驗, 用數(shù)理統(tǒng)計的方法找出變化規(guī)律從而找出它們之間的對應(yīng)關(guān)系。 利用此對應(yīng)關(guān)系, 在單片機(jī)中進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理, 從而得到所測溫度或應(yīng)力的大小。目前我們采用拉格朗日算法，并使用一些合適的數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定的方法，就目前解調(diào)儀的工作情況來看，效果還是可以的，測量精度能夠達(dá)到±5pm，重復(fù)性最大誤差為8pm。為了提高解調(diào)儀的工作頻率，提高解調(diào)儀的適用性，也可以采用基于DSP或者DSP＋ARM的解調(diào)電路，但成本相對就要高些。

FBG 光柵有廣闊的應(yīng)用前景, 在通信、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航天、航海、礦業(yè)都能發(fā)揮重要作用，有關(guān)于FBG 光柵的理論研究到目前為止已取得了很大成就。采用合適的解調(diào)技術(shù)，降低光纖光柵的使用成本，就能夠推動光纖光柵傳感器在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

本文作者創(chuàng)新點: 基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀是一種適于實際工程應(yīng)用的解調(diào)系統(tǒng),大幅降低光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的成本,便于在工業(yè)現(xiàn)場的使用，使得光纖光柵傳感器能夠在實際工程應(yīng)用中得到迅速的推廣。