小型FBG解调系统中数据采集的实现*

李永倩，李晓菲，张 静

(1.华北电力大学 电子与通信工程系，河北 保定 071003；2.华北电力大学 苏州研究院，江苏 苏州 215123)

光纤光栅（FBG）传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本等优点[1]，已在土木工程、航空航天、机械制造等领域广泛用于应变、温度、振动等参数的测量[2-3]。FBG传感器是一种波长调制型器件，外界物理量的变化会影响FBG的中心波长值。因此，精确解调FBG波长的变化量是FBG传感的一项关键技术。

FBG解调系统的解调精度取决于FBG信号的采集精度和波长解调算法的高效性[4]。目前，应用最多的是利用数据采集卡采集FBG信号,利用工控机处理FBG信号，导致解调系统体积和功耗大、成本高，不利于实现解调系统的小型化、低功耗和低成本。本文将数字信号处理器（DSP）与复杂可编程逻辑器件（CPLD）技术相结合，设计了用于小型FBG解调仪的数据采集电路，完成了软硬件调试，实现了FBG传感信号的有效采集。

1 采集系统整体设计

1.1 性能分析

FBG传感系统的原理框图如图1所示。在F-P滤波器控制器的作用下通过可调谐F-P滤波器[5]，经过3 dB耦合器，将宽带光源中不同频带的光波周期性地分成两个支路。其中一路入射到参考通道，这一部分的作用是用来对可调谐F-P滤波器进行校准，消除可调谐F-P滤波器腔长漂移对测量精度的影响[6]；另一路入射到FBG传感通道中，FBG传感通道中所有光纤布拉格光栅的反射谱必须在F-P滤波器的扫描范围内,并且各个布拉格光栅的反射谱不能重叠，否则会引起信号串扰。在每个通道中,当F-P滤波器扫描波长与FBG反射波长一致时,光电检测组件探测到的光能量最大。数据采集系统负责同步采集两路光电检测器输出的电压信号，并将采集后的数据传输给上位机,然后根据电压峰值坐标与Bragg波长的关系得到反射波长的值,从而达到传感信号解调的目的。

本传感系统选用的可调谐Fabry-Perot（F-P）滤波器的扫描频率设为10 Hz,宽带光源的光谱宽度为78.2 nm，当波长分辨率达到4.9 pm时,每通道一个采样周期内采集16 000个点，要求采集系统单通道的采样率达到160 kS/s以上，并且可以多通道同步采样。若数据采用16 bit记录格式，也就是每个点数据量为 2 B，则一个扫描周期内单通道数据量为32 KB，2通道总数据量为 64 KB。

1.2 器件选型

DSP能够快速实现各种算法,运算精度高[7]；CPLD具有内部延时小、速度快、全部逻辑由硬件完成等优点，接口灵活，被广泛用于各种时序和逻辑控制电路；由DSP和CPLD组成的最小系统能够满足FBG解调系统小型化和低功耗的要求[8]。本系统以DSP+CPLD的硬件结构为开发平台，DSP选用TMS320F2812(以下简称DSP)芯片作为核心处理器[9]，其最大工作频率可达到150 MHz；CPLD 采用 EPM240T100C5N(以 下简 称 CPLD)芯片做逻辑控制元件。A/D转换芯片采用美国TI公司的ADS8556，它是16位高精度模数转换器,包括 6个 16 bit模数转换器（ADCs）；3个独立的转换启动信号分别控制每2个通道的转换，并且可以2/4/6通道同步采样[10]；其内部参考电压可取2.5 V或3.0 V，最大输入电压范围可以达到±12 V；ADS8556可采用并行或串行接口模式，其中，并行接口模式下单通道采样速率可达到630 kS/s。由于实时采集的数据量比较大，因此采用外部存储芯片IS61LV25616(以下简称SRAM)对DSP的数据存储空间进行扩展，其容量为256 K×16 bit。

2 采集硬件电路

光电检测器将两路光栅信号转换成电信号后，由于信号强度较弱，信号中包含大量噪声。首先要对电信号进行放大、滤波处理，然后送入A/D进行采集。采集系统的主要硬件电路如图2所示。

图2 采集系统的主要硬件电路

将 DSP的地址线 A0、A1和/CS0分别连接至 CPLD的I/O口上。DSP对/CS0对应的区域地址进行读操作时，相应片选端和读信号被置为低电平，地址线上出现所要读取的地址。CPLD对片选信号/CS0和地址线A0、A1进行地址译码，实现对A/D的控制。ADS8556的片选信号/CS、复位信号/RST分别连接到CPLD的I/O口上，通道组A的启动转换信号CONV_A连接到CPLD的I/O口上，用来启动CH1和CH2通道的同步转换，在转换期间，CONV_A保持高电平，BUSY信号在转换期间为高电平，一次转换结束后BUSY信号返回低电平，将DSP的外部中断INT1通过CPLD连接至BUSY信号，每次转换结束后，ADS8556向DSP申请中断去读取数据。ADS8556的16位数据线与DSP的16位数据总线直接相连；DSP的读信号/RD通过CPLD与ADS8556的读信号/RD相连接，读取A/D数据时，片选信号/CS先置低，读信号/RD每变低一次，DSP从16位总线上读取1个通道的数据，需要读取2次将2通道数据读走。

3 采集控制软件

DSP通过对不同地址的读取来向CPLD发送指令，CPLD通过片选端和地址线译码来执行相应的功能。DSP的软件流程图如图3所示，采用C语言编写。

图3 DSP软件流程图

首先，对变量以及相应寄存器进行初始化，将2个通道存储采集数据的数组定义在SRAM对应的存储空间，以满足数据存储容量的要求。本系统每个通道采样率设为 160 kS/s，采样周期为 0.1s，即每 6.25 μs保证采样一次。采集控制的主要流程是：DSP发送启动转换指令后，CPLD启动A/D转换，在其内部产生一个周期为6.25 μs的定时器，每次定时器时间到，向CONV_A端提供高电平转换信号，启动一次A/D转换，2通道的模拟信号同时开始转换,ADS8556的转换时间是1.26 μs。转换结束后，BUSY信号变低电平产生中断，DSP进入中断子程序读取数据。CPLD根据DSP的读数据指令控制A/D的片选信号，结合读信号低电平读取2次转换结果，存放在对应的数组中，采样点数加1，退出中断，等待下一次转换结束后，再次读取数据。当读取完16 000次数据之后，开始进行数据传输。将数据传输完之后，将存放数据的数组清零，再次启动转换，完成下一个周期的数据采集与存储。

CPLD采用Verilog语言编写内部时序和逻辑电路，时序电路主要根据DSP发送来的启动转换命令，产生16 000个周期为 6.25 μs的转换信号 CONV_A，其高电平保持2 μs，保证每次数据转换完成。在16 000次转换结束后停止采集，等待DSP的下次启动转换指令的到来；逻辑电路主要完成内部管脚之间的连接以及根据地址译码来完成对ADS8556的片选信号和读信号控制。

4 数据采集性能测试

4.1 采集准确性的实验测试

为了测试本系统采集的准确性和可靠性，完成电路软硬件调试之后，将FBG传感系统与采集电路连接起来，FBG传感通道输出信号接入采集电路的CH1。

在实验中，加在F-P滤波器上的扫描电压范围为0～18 V，调谐电压扫描频率为10 Hz。当在传感通道中串联3个FBG传感器时，由示波器观测到的F-P扫描电压和光电检测器输出信号的原始波形如图4所示。

为了观察采集到的一个周期的数据，实验时只采集一个周期，即0.1 s的数据，存放在一个长度为16 000的数组中。在CCS3.3环境下运行采集程序，用Graph单通道模式来显示数组中的数据，CH1通道中的数据波形如图5所示。

当加在F-P滤波器上的扫描电压为三角波时，对应扫描正程和返程两个周期的光栅信号，由示波器观测到的三角波扫描电压和传感通道1的原始波形如图6所示。运行程序时，相应地采集两个周期的数据，存放在长度为32 000的数组中，得到的数据波形如图7所示。

由以上实验结果可知，本系统能够准确地采集信号，采集结果无失真。

4.2 同步采集的实验测试

为了测试采集系统CH1和CH2通道是否实现了同步采集，在FBG传感通道串联3个光栅，输出的信号同时接到采集电路的CH1和CH2，采集一个周期0.1 s的光电信号，图8所示为在CCS3.3环境下用Graph双通道模式显示的2通道的数据波形。

由图可知，本系统能够很好地实现2通道数据的同步采集。根据ADS8556的特点，还可以扩展为多个传感通道的采集系统。

本文设计实现了用于解调FBG传感信号的数据采集的硬件电路，编写了采集控制程序，完成了软硬件调试；将采集系统与FBG传感系统连接起来进行了性能测试。实验结果表明，该系统能准确地采集光电信号，满足FBG解调仪波长分辨率、采集速度的要求。本系统可以扩展多个光栅传感通道,完成多通道的同步采集；还可以在DSP中编写波长解调算法，减轻上位机的工作量，最终实现解调系统的小型化。

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