基于STM32的便携式光纤光栅解调仪设计

李 冰，吕 敏，倪 亮

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

基于STM32的便携式光纤光栅解调仪设计

李 冰，吕 敏，倪 亮

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

该文提出了一种基于STM32单片机的便携式光纤光栅解调仪设计方案，以STM32F103作为核心控制器，对光纤光栅中心反射波长的微小偏移进行精确测量，并将之转换为相应物理量。STM32单片机使用TTL/CMOS与迪文DGUS触摸屏进行交互，实现对反射波形的显示、波长计算及数据处理等，可方便地进行光纤光栅传感数据的测读。

单片机STM32；光纤光栅；触摸屏；解调仪

便携式光纤光栅解调仪是用于对光纤光栅中心反射波长的微小偏移进行精确测量，并将之转换为相应物理量的配套设备，是光纤光栅传感系统不可缺少的组成部分。便携式光纤光栅解调仪由于自带工作电源，大屏幕数据直显，无需计算机及上位机软件配合，操作简单，小巧轻便，被广泛应用于电力、水利、交通等特殊场合中温度、应力、应变的监测，是光纤光栅传感系统中用于安装调试、检验测试、数据采集等不可或缺的设备。

1 系统整体设计

便携式光纤光栅解调仪系统设计可实现光纤光栅传感器的波长解调，扫描速度1 Hz。仪表采用一体模块化设计，集成了电源、激光光源、波长解算、数据计算处理等功能模块，具有彩色液晶显示，体积小巧，可随身携带，可方便地进行光纤光栅传感数据的测读。按照解调仪性能划分，本系统具体可分为5个功能模块，即光纤光栅波长信号的解调、外部通讯接口模块、电源控制模块、人机交互模块和数据管理模块。

在硬件上，设计有电源变换模块，用于产生光源模块及F-P滤波器模块工作所需的5 V、3.3 V直流电源；软件设计基于μC/OS-Ⅱ操作系统，可实现与DGUS触摸屏之间的通讯、与F-P滤波器通讯等功能，并利用μC/OS-Ⅱ操作系统的空闲任务对功耗进行控制。便携式光纤光栅解调仪总体设计方案如图1所示。

图1 便携式光纤光栅解调仪总体方案Fig.1 Overall scheme of portable fiber grating demodulator

2 系统结构及主要硬件设计

2.1 外观结构

采用便携式结构设计，配备17.8 cm触摸液晶屏。外壳是标准的小仪表箱，主要由下壳体和顶盖组成，顶盖可180°翻折，合上后密封外壳可为仪器提供坚固防水防震保护，以满足恶劣环境下的使用要求。

2.2 系统架构

便携式光纤光栅解调仪由人机交互模块、控制模块、锂电池和光学检测系统（解调模块，宽带光源以及光分路器等）组成，便携式光纤光栅解调仪系统外形及架构如图2所示。

图2 便携式光纤光栅解调仪系统外形及架构Fig.2 Portable fiber grating demodulator system outline and architecture block diagram

2.2.1 人机交互模块

人机交互模块包括液晶触摸屏和面板按钮，用于实现数据显示、仪器开关、设置仪器参数等功能。人机交互模块通过RS232通讯接口连接控制模块，其相应的指令通过控制模块下达给光学检测系统。

2.2.2 控制模块

控制模块用于控制光学检测系统，读取检测数据，分析处理检测数据，与上位机进行通讯，与人机交互模块进行通讯等。该模块接收来自人机交互模块的指令，控制光学检测系统工作，待测量完成后，读取测量数据并传输给人机交互模块。

2.2.3 光学检测系统

光学检测系统包括宽带光源、OM3解调模块和光分路器以及一些光学接口和光纤，是整个仪器的核心所在。当接收测量指令后，宽带光源产生光信号，该信号经光纤光栅传感器反射传回解调模块，解调模块对波长信号进行解调，并将结果传给控制模块。

2.2.4 锂电池

锂电池用来提供仪器电源，仪器开启后对人机交互模块和控制模块供电，对光学检测系统的供电则由控制模块控制。

2.3 处理器选择及硬件电路设计

经过对功耗和性能的分析，确定采用STM32 F103ZGT6处理器。其工作频率为72 MHz，内置高速存储器 （高达1024 KB的闪存和96 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到2条APB总线的外设，供电电压3.3 V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求，达到了性能和功耗的平衡[1]。

便携式光纤光栅解调仪系统MCU接线如图3所示。

3 系统软件及触摸屏模块设计

3.1 嵌入式软件设计

该解调仪嵌入式软件运行于Cortex-M3芯片的硬件环境中，由于软件功能有限，实时操作系统操作系统μC/OS-Ⅱ就可以满足软件的需要，实现串口指令交互任务、触摸屏指令交互任务、测量及存储任务、上位机通信任务等功能。

软件系统流程如图4所示，任务流程如图5所示。

3.2 触摸屏设计

与传统的LCM通过时序或者指令控制显示不同，DGUS屏采用直接变量驱动显示方式，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件进行工作[2]。DGUS屏基于配置文件进行工作，整个开发流程是通过PC软件辅助设计完成变量配置文件的过程，具体如下：

图3 便携式光纤光栅解调仪MCU接线Fig.3 Portable fiber grating demodulator MCU wiring diagram

图4 软件流程Fig.4 Programming flow chart

图5 任务流程Fig.5 Mission flow chart

步骤1变量规划。基本遵循2个原则：数据变量尽可能地址连续，以便于读/写；参数描述变量和数据变量的地址要分开，并且不要交叉。

步骤2界面设计。利用PS（或者

其他绘图软件）进行界面及界面相关元素（图标、字库）设计。设计过程中，要选择调色板系统为65K色，确保最终显示效果和设计效果一致。

步骤3界面配置。利用迪文提供的工具软件进行界面配置，生成触控配置文件和变量配置文件。

步骤4测试修改。把配置文件、图片、字库、图标库等借助SD卡下载到DGUS屏，进行界面测试和修改（步骤2，步骤3）。把串口连上用户MCU系统，进行数据联调。

步骤5定版归档。定版后，把配置文件、图片、字库、图标库等DGUS屏涉及的文件保存在一张SD卡上。

4 系统实现

打开电源开关，从触摸屏上可见读取到单个通道的光谱显示，触控相关按钮可以进行波形的放大和缩小、上下平移、左右平移。

光谱显示界面如图6所示，按钮“Y+”和“Y-”分别对应波形信号幅度的放大、缩小；按钮 “X+”和“X-”分别对应波形时间展宽和缩减；按钮“左移”和“右移”分别对应波形向左平移和向右平移。

图6 光谱显示界面Fig.6 Spectrogram display interface

根据传感器校准系数，将波长量转换为温度、位移、应变等物理量，试验中将传感器全部设置为温度计，得到的测试温度值如图7所示。

5 结语

便携式光纤光栅解调仪的设计，采用了STM32作为主控芯片，其内部包含丰富的功能模块，拥有标准和先进的通信接口，无需外扩芯片即可完成光纤光栅信号的采集、存储和数据通信[3]，使整个系统具有体积小、功耗低的特点，满足了便携式设备的基本要求。试验表明该系统达到了预期效果。随着光纤光栅在电力、水利、交通等场合应用的深入普遍，该解调仪有着很高的应用价值和良好的市场前景。

图7 物理量测显示界面Fig.7 Physical quantity measurement display interface

[1] 马忠梅，徐琰，叶青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2] 黄波，周美娇，周阳，等.基于DGUS软件的无纸记录仪人机界面开发[J].电子科技，2015，28（10）：108-110.

[3] 武利珍，张文超，程春荣.基于STM32的便携式心电图仪设计[J].器件，2009，32（5）：946-949.

Design of Portable Fiber Grating Demodulator Based on STM32

LI Bing，LV Min，NI Liang

（NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

A design schemeofportablefibergratingdemodulatorbased on STM32 MCU isproposed.Ituses STM32F103 as the core controller to accurately measure the small offset of the reflection wavelength of the fiber grating，and converts it into a corresponding physical quantity.STM32 MCU uses TTL/CMOS to interact with Devin DGUS touch screen to achieve the reflection of the waveform display，wavelength calculation and data processing.It can be easily carried out fiber Bragg sensing data.

STM32 MCU；fiber Bragg grating；touch screen；demodulator

TP23

B

1001-9944（2017）08-0030-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.008

2017-03-01；

2017-05-11

李冰（1984—），男，硕士，工程师，研究方向为水电厂自动化；吕敏（1987—），男，硕士，工程师，研究方向为测量及控制；倪亮（1990—），男，硕士，助理研发工程师，研究方向为水质类传感器。