全数字光纤传感测试系统的设计

黄 琪, 李 彤, 曹宏宇, 宋占伟

(1. 吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012； 2. 上海交通大学 微电子学院, 上海 201100)

0 引 言

光纤传感技术是外界待测量调制经光纤传输的光源发出的光, 引起光的特性变化(如强度、 相位和频率等), 被调制的光经光纤传输至接收端后经光电探测器及解调器解调出外界待测量的一种传感技术[1]。光纤传感技术具有体积小、 重量轻、 抗电磁干扰、 本质安全(无电火花, 可在易燃、 易爆环境下工作)、 传感端无需供电、 耐高温, 以及便于组成传感器网络和易融合物联网等优点[2-4]。对于传统的基于强度调制的光纤传感系统, 如光纤颜色传感器[5]、 光纤液位传感器[6]、 光纤位移传感器[7,8]等, 光纤传感部分一般采用对射式或反射式结构, 其电学核心部分一般采用分立的模拟电路进行光发射管驱动, 光信号的光敏二极管接收、 信号放大调理、 A/D转换输出, 器件分散性大, 且过程复杂。而如果采用红外接近传感芯片, 其将光发射管驱动、 光电转换、 A/D转换输出部分进行集成化设计, 只需通过MCU(Micro Control Unit)与该芯片进行特定的数字接口通信读取光电转换数据, 同时可以充分利用集成电路参数一致性好、 功耗低、 尺寸小、 稳定性高等诸多优点。笔者结合物联网技术, 设计了小型化与智能化的全数字化的光纤传感测试系统。

该系统采用MCU作为主控单元, 红外数字光电传感器作为IR LED(Infrared Light Emitting Diode)驱动、 光电转换、 A/D转换输出单元。主控单元通过I2C(Inter-Integrated Circuit)通信与传感器芯片实现数据交互, 结合数码管驱动芯片及实现光电数据的显示, RTC(Real-Time Clock)芯片及EEPROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory)实现光电数据的实时记录, 达林顿管完成继电器的阈值动作, 无线透传模块完成数据网传, 按键及液晶屏实现人机交互等功能。

1 系统的总体设计方案

图1 系统结构框图Fig.1 System structure chart

该系统可用于特殊环境(如强电磁干扰)下的非接触物体检测, 颜色识别等场合。系统的光纤传感部分采用光纤搭建常用的对射式或反射式结构, 笔者重点进行了系统电学部分的设计。系统电学部分采用16位RL78族MCU作为主控制器, 具有低功耗、 高性能、 可片内调试等特点； 红外数字光电传感器选用ISL29021, 红外高功率LED选用SFH4056, 主控制器通过I2C接口对ISL29021进行工作模式、 二极管驱动电流等的设定以及光电数据的读取； BC7275 5位数码管驱动芯片用于驱动五位数码管显示采集到的光电数据； AT24C02用于系统参数的存储, 实时光电数据的存储通过实时时钟芯片RX8025和AT24C08完成, 其中RX8025用于读取时间信息； 实时光电数据的WiFi网传通过ESP8266完成； ULN2803用于驱动继电器完成光电数据的阈值动作； 按键及LCD1602实现人机交互、 完成系统参数的设定及相关参数的显示； 整个系统完成了4路光电数据的采集显示、 查询、 阈值动作以及WiFi网传。系统结构框图如图1所示。

2 系统硬件设计

该系统主要由电源单元, 主控单元, IR LED发射及光电转换、 A/D转换输出单元, 数码管驱动显示单元, 系统参数及光电数据实时记录单元, 无线传输单元, 继电器阈值动作单元, 按键及LCD(Liquid Crystal Display)显示单元组成。

电源单元为系统供电, 保证系统正常工作, 采用5 V直流电源为系统供电。5 V电源接入继电器驱动电源引脚及ULN2803电源引脚, 其经过3端稳压芯片LM1117-3.3转为3.3 V为系统其余器件供电。考虑到电流要求, 因而选用两片LM1117-3.3芯片进行供电, 其中一片给LCD1602及ESP8266单独供电。

主控单元R5F104LEA, 其片上资源丰富, 支持I2C/简化、 I2C通信、 UART通信, 具有A/D转换、 定时、 片上按键中断等功能。内置高速片上振荡器时钟, 也可以外接晶振电路产生系统时钟, 为方便串口通信时波特率匹配和后期调试, 系统外接18.432 MHz晶振。

图2 ISL29021引脚连线图Fig.2 The pin connection diagram of ISL29021

数码管驱动显示单元采用5位数码管BC7275驱动5位共阴数码管的电路形式。BC7275是一款5位LED数码管驱动芯片, 支持SPI(Serial Peripheral Interface)接口通信, 带有片选功能。电路连线图如图3所示, 4路该单元的CLK、 MOSI线均接入主控单元的SPI串行输入时钟端, SPI口数据输出端, 主控单元用4根片选线分别接入4片驱动芯片的片选端, 芯片的其余引脚接入其对应的5位共阴数码管的段选和位选端。

图3 BC7275引脚连线图Fig.3 The pin connection diagram of BC7275

图4 AT24C02、 AT24C08及RX8025引脚连线图Fig.4 The pin connection diagram of AT24C02, AT24C08 and RX8025

系统参数及光电数据实时记录单元选用AT24C02、 AT24C08及RX8025芯片。其中AT24C02用于记录阈值等系统参数, AT24C08用于记录光电数据及采集时间, RX8025用于读取时间信息。三者均接入主控单元的全功能I2CA接口, 三者器件地址不同。器件的连线图如图4所示, 当电源断电时, CR1220可为时钟芯片供电, 使其正常工作。同时, 当系统正常工作时, 设置了锂电池电压检测电路, 采样电压接入主控单元A/D转换引脚; 当电池电压过低时, 设置了指示灯, 提示用户更换锂电池。

系统其他单元如无线传输单元采用ESP8266无线透传模块与主控单元串口相连； 继电器阈值动作单元选用ULN2803芯片, 用于驱动4路继电器； 按键单元包括4个按键： 模式键、 选择键、 上翻键和下翻键, 其分别接入主控单元的按键中断引脚； LCD显示单元选用3.3 V工作电压的LCD1602, 其数据线及控制线分别接入主控单元的I/O口上。

3 系统软件设计

系统的软件设计流程为在CubeSuite+中代码生成工具下配置主控单元时钟、 定时器、 A/D转换单元、 串行接口、 I/O口等硬件资源, 生成相应的代码, 然后完成各个单元模块如LCD1602、 BC7275等底层操作函数的编写, 最后在编写主函数调用各个单元模块函数完成整体程序的设计。系统软件框图如图5所示。

图5 系统软件框图Fig.5 System software structure chart

系统模式选择由按键中断部分完成, 该系统通过用户设置可以工作在5种模式下, 即数据采集、 方式设定、 阈值设定、 数据查询和电量查询模式。各种模式下软件的具体功能如下。

1) 数据采集模式。主控单元通过I2C接口读取红外数字光电芯片采集光电数据并将其显示数码管上； 读取RX8025的时间信息结合光电数据存储AT24C08中, 由于空间限制, 可存储最近的64条记录, 每条记录包含4路光电数据以及采集时间； 将采集的光电数据与设定值进行比较, 当采集值小于设定值时, 其对应的继电器闭合, 否则断开； 各路继电器状态显示在LCD上； 实时光电数据通过ESP8266进行WiFi网传。

2) 方式设定模式。设置各路红外数字光电芯片的工作状态并显示。笔者采用红外数字光电芯片的2种工作模式： 即可编程一次接近传感和可编程连续接近传感, 而其IR LED驱动电流有12.5 mA、25 mA、50 mA、100 mA 4档可调, 且传感器可在4位、 8位、 12位和16位A/D转换模式下工作, 这样可构成32种传感模式。同时, 也可通过寄存器设置红外数字光电芯片处于掉电状态。综上, 用户可根据实际需求对每路传感单元进行33种模式选择。4路红外数字光电芯片的传感模式会显示在LCD上, 用户可以通过选择键选中待测试的某路传感单元, 再通过上翻键或下翻键更改该通道的模式。

3) 阈值设定模式。设置每路继电器动作的阈值并显示在LCD上。该阈值在数据采集模式下使用。

4) 数据查询模式。查询数据采集模式下采集到的最近64条数据记录。LCD会显示当前页的某路光电数据及其采集时间, 通道的切换通过选择键实现, 页的切换通过上翻键和下翻键完成。

5) 电量查询模式。将采集到的锂电池电压显示LCD上, 同时在LCD上提示用户电池电压是否正常。

在各个模式下, 当锂电池电量不足时, 会有LED灯闪烁提示用户更换锂电池。

4 系统的整合与测试

将FC(Ferrule Comector)光纤适配器分别安装在ISL29021和SFH4056电路板上, 采用FC光纤跳线搭建对射型或反射型光纤传感系统。搭建好的系统如图6所示。

a 未安装光纤适配器的电路板 b 安装光纤适配器的电路板图6 系统实物图Fig.6 Image of the system

4.1 对射型光纤传感测试

在对射型光纤传感系统中, 设置红外数字光电芯片工作在可编程连续传感、 IR LED驱动电流为100 mA、 16位ADC(Analog to Digital Converter)模式, 改变光发射光纤探头与光接收光纤探头之间的距离, 得出对射距离与读出的数字量的关系如图7所示。

a 对射距离0～20 mm时ADC输出 b 对射距离20～100 mm时ADC输出图7 ADC输出与光纤对射距离的关系图Fig.7 ADC output vs fiber distance

将光发射光纤探头和光接收光纤探头分别安装上聚焦镜, 测量得到对射距离与读出的数字量的关系曲线如图8所示。

a 对射距离0～159 mm时ADC输出 b 对射距离159～479 mm时ADC输出图8 加入聚焦镜后ADC输出与光纤探头对射距离的关系图Fig.8 ADC output vs fiber probe distance with optical fiber focusing mirror

从图7和图8中可看出, 在一定范围内, 由于光强大, 因而ADC输出量保持不变, 而后, ADC输出量大致与距离的平方成反比, 且加入聚焦镜后, 传感距离显著增强。在测试过程中, 当用不透光物体挡住光路时, ADC输出量接近0。

4.2 反射型光纤传感测试

采用Y型光纤探头[10-12]搭建反射型光纤传感测试系统, 选用同材质的不同颜色的卡纸作为被测物, 改变光纤探头与卡纸之间的距离, 并记录数码管显示的红外光电芯片的ADC的输出值, 测得曲线如图9所示。

a 光纤探头到被测物距离0～20 mm时ADC输出 b 光纤探头到被测物距离20～100 mm时ADC输出图9 ADC输出与光纤探头到被测物距离的关系图Fig.9 ADC output vs distance between fiber probe and cardboard

图10 数据WiFi网传测试图Fig.10 Data WiFi transmission test

从图9可看出, 采用Y型光纤作为光纤传感结构时, 在待探测物离Y型光纤头距离较近的情况下, 初始ADC输出随着探测物距离增大而增加, 达到峰值时, 保持一定时长, 之后随探测距离的增大, ADC输出反比于探测距离的平方。同时可知, 选择合适的传感距离, 能明显区分实验中用到的颜色。

4.3 WiFi网传单元的测试

配置ESP8266工作在Station模式, 将4路实时光电数据及继电器状态的信息通过WiFi传送服务器。服务器采用ARM9硬件平台, 配备USB无线网卡, 移植了Linux系统。编写服务器测试程序, 服务器通过USB(Universal Serial Bus)无线网卡接收信息并将其显示在触摸屏上, 传输的信息稳定可靠, 显示效果如图10所示。

5 结 语

笔者采用数字接近传感器进行全数字光纤传感测试系统电学部分的设计, 光接近传感器是一款集成了IR LED驱动、 光信号接收、 信号放大调理、 A/D转换输出的集成芯片, 其相对一些传统的采用分立的模拟器件搭建的基于强度调制的光纤传感系统具有体积小, 抗背景噪声等优点, 结合物联网技术设计实现了光电数据的本地采集显示、 存储、 阈值动作、 WiFi网传的功能。笔者搭建了常见的对射式以及反射式光纤传感结构, 并且进行了数据测定, 结果表明该系统可用于特殊环境下的非接触物体检测、 颜色识别等场合, 整个系统的功耗约为2.2 W。由于笔者使用的接近传感器LED最大驱动电流为100 mA, 在无聚焦镜情况下传感距离为10 mm左右, 对于特殊应用场合, 可选择驱动电流更大的红外接近传感芯片, 如Si114X系列的光电芯片, 其每个LED驱动器有15个电流设置, 从5.6 mA～360 mA[13]。总之, 可根据光谱等实际需求合理的选择接近传感器以及光发射管达到设计要求, 实现全数字化的光纤传感测试系统。