多通道光纤加速度测试分析系统的研究

段晓君，韩 焱

(中北大学，山西 太原030051)

0 引言

振动的研究和测试是现代工业发展的一项基础，在科学技术、国民经济和国防领域有着广泛的应用。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，采用MEMS技术制作微型传感器是技术的发展趋势，但目前仅限于电检测方式的MEMS传感器。系统采用MEMS技术集成制作包含弹性梁或轴、敏感质量块和微反射镜的MEMS光纤振动敏感芯片，MEMS振动敏感芯片直接与光纤耦合构成MEMS光纤振动传感器，适合批量生产、成本低、装配简单，具有巨大的技术优势。

目前，信号解调是光纤光栅传感技术和光纤微机电传感技术产业化所面临的难题之一，其核心问题在于发展低成本、大容量、高精度的信号解调的传感分析仪，从而在充分发挥光纤传感器在信号传输距离远、信息容量大、成本低的优势，使光纤传感器在性能与价格比上比传统的机电传感器更具有竞争力。

1 基本原理

1.1 MEMS光纤加速度传感器的技术原理

MEMS光纤加速度传感器主要由双光纤准直器和MEMS振动敏感芯片构成。其中MEMS振动敏感芯片由悬臂梁或者扭转梁支撑的敏感质量块上镀上一层光学反射膜形成。该结构中光路为入射光纤中传播的光从单模光纤纤芯出射后，依次经过准直器准直，微镜反射，再经过微透镜聚焦，聚焦后的光斑与出射光纤纤芯耦合。

1.2 分组同步式光纤传感分析仪的技术原理

本文通过采用光开关和多组光同步分路器、分组切换电子开关和多通道同步数据采集器的组合，可实现大容量测量通道数扩展，同时可对其中任意一组测量通道进行同步实时测量，兼顾了容量扩展与测量实时性的要求，可适用于波长调制、强度调制等多种类型光纤传感器的大容量、分组实时信号解调。

分组同步式大容量光纤传感分析仪主要包括光源，1×24光开关，1×18光纤耦合器，光强参考模块，432通道光电探测放大器，432选18分组切换电子开关，18通道同步数据采集器和嵌入式处理器。

光源发射出的光信号经1×24光开关依次切换到24个1×18光纤耦合器，每个1×18光纤耦合器均与光强参考模块和一组光纤传感器(17个通道，每个通道可接入一只光纤传感器)相连接，由光纤传感器将各自入射光转换成代表加速度输出的反射光并经光纤返回到光电探测放大器，光电探测放大器将光纤传感器和光强参考模块各自输出的光信号转换为易于采集的标准电压信号(该电压输出信号在光电探测放大器内部采用射极跟随器方式驱动后输出，电压幅值受分组切换电子开关每次切换导通阻抗波动的影响极小，从而保证了光纤传感分析仪各测量通道具有良好的测量重复性)，通过432选18分组切换电子开关将当前时刻432路光电探测放大器中有效的17路传感信号和1路参考信号接入到18通道同步数据采集器完成A/D转换，最后通过嵌入式处理器计算分析，获得与传感信号准确对应的被测物理量的数值。光强参考模块通常为用于光纤传输线路损耗补偿的等效传感器，其作用是实时监测光源波动和线路损耗的变化量，从而补偿光源波动和线路损耗对传感信号的影响。嵌入式处理器可通过10/100 M以太网、RS232、RS422、USB等标准通信接口实现与计算机或其他网络处理器之间的数据通信。整体框架图如图1。

可以根据监测系统中所需要使用的光纤传感器的类型和数量，灵活配置每组同步测量通道的数量以及光纤传感分析仪测量通道的总数量，并在单台分析仪上实现对光纤光栅传感器、光纤微机电传感器等多种类型光纤传感器的信号解调，也可通过选配多组不同速率的同步数据采集器实现对各光纤传感器的可变速率信号解调。

图1 嵌入式处理器通过通信接口与处理器进行数据通信框架图

1.3 多通道分组同步式光纤传感分析仪的关键技术

采用FPGA控制多片高速高精度A/D转换芯片同步工作，单块同步数据采集模块实现对18路光电转换信号的100 Ksps同步采集，A/D转换精度达到16 bit精度;采用多片DSP无缝连接阵列作为光纤传感分析仪的数据处理核心，可提供每秒钟6000MFLOPS运算能力，对18路光纤加速度传感信号进行实时在线振动谱分析处理及24×18路光纤加速度传感信号的分组同步振动谱分析处理。

由嵌入式处理器直接对每组18路光纤加速度传感信号进行频域和时域分析变换，从而在线监测评估地质环境或机械设备的安全状态。避免了由上位计算机做光谱计算分析时对上位计算机硬件平台的苛刻要求及CPU长时间占用率过高导致的稳定性隐患，并减小了加速度采集分析系统的体积和功耗，适应了野外电池供电场合的长时间工作要求。

2 系统设计

2.1 光纤传感分析仪多通道同步数据采集器设计

光纤传感分析仪内部的同步数据采集器采用三片美国模拟器件公司(ADI)的AD7656芯片对光电转换后的模拟信号进行同步采集。

AD7656芯片基于ICMOS工艺制造，是高集成度、6通道16 bit逐次逼近(SAR)型ADC，内含1个2.5 V基准电压源和基准缓冲器。该器件的功耗比最接近的同类双极型ADC降低了60%。AD7656在每通道250 kS/s采样速率下的精度(±4 LSB最大值积分线性误差)是同类产品的2倍。可以满足工业领域对高分辨率、多通道、高转换速率和低功耗的要求。多通道同步数据采集器硬件设计原理框图如图2。

图2 多通道同步数据采集器硬件设计原理框图

采用Altera公司Cylone系列的FPGA芯片EP1C20对三片AD7656进行存取控制和参数设定。AD7656采集后的数据以并行格式由EP1C20按照软件设定的速率进行读取，读取的数据EP1C20首先在内部的FIFO中缓存，当FIFO中的数据达到设置要求的存量时，EP1C20内部寄存器的FIFO数据有效标志被置位，同时产生中断请求，通知光纤传感分析仪内部的嵌入式处理器读取数据并完成后续处理。FPGA可编程逻辑设计原理框图如图3。

图3 FPGA可编程逻辑设计原理框图

2.2 光纤传感分析仪嵌入式处理器设计

ADI公司和TI公司是DSP芯片的全球两大主要供货商，其芯片也代表了DSP领域的最高技术。TI公司的TMS系列处理器主要基于VLIW(超长指令字)结构，而ADI公司的SHARC系列DSP在结构设计时更强调系统的平衡性，对于同一档次的处理器，SHARC处理器明显比TMS320处理器具有更强的功能。综合性能、成本、停产风险等多方面考虑，特别是由于ADSP SHARC系列处理器提供了片间无缝连接的能力，使得在多DSP处理器系统中的外围控制逻辑变得十分简单，因此，本项目中选用2片ADI公司的高性能ADSPTS201芯片作为光纤传感分析仪的嵌入式处理器核心，TS201有4个全双工的链路口。每个链路口包含收发各4位数据线，LVDS电平，信号速率为DCR(Double Clock Rate)500 MHz，因此可实现双向1 000 Mbytes/s的数据吞吐量。这4个链路口可用于TS201之间的互连，也可用于TS201与外部设备之间的高速数据交换。

图4 TS2014个链路示意图

系统中，由两片ADSP-TS201芯片构成的嵌入式处理器最大运算能力达到6000MFLOPS，外部接口通信能力高达5 000 MB/s，完全满足光纤传感分析仪对18～408只MEMS光纤振动加速度的实时数据采集和振动谱在线分析(如图5所示)。

图5 分组同步式光纤传感分析仪嵌入式处理器原理框图

3 软件需求分析和代码编写实现

与行业用户密切合作，针对不同应用领域的不同需求，编写具有不同功能的振动谱频域变换分析模块、时序统计分析模块及组态软件显示插件，使客户能够以直观的电子地图方式，查看当前被监测设备或环境的振动状态。

4 结论

它是一项将21世纪先进的微米/纳米尺度MEMS(微机电系统)敏感芯片设计制造技术与光纤检测技术相结合的新型光纤加速度检测技术，具有全光测量和信号传输、高灵敏度、宽频带、体积小、可批量生产、一致性好、成本低等特点，适合在高温高寒、强电磁干扰等恶劣环境下稳定工作，解决了传统光纤传感器向微型化和批量生产时遇到的装配困难及光纤传感器难以实现大容量高速同步采集的问题。

［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.