光纖光柵（FBG）傳感器具有抗電磁干擾,、耐腐蝕、電絕緣,、高靈敏度和低成本等優(yōu)點[1],，已在土木工程、航空航天,、機械制造等領(lǐng)域廣泛用于應(yīng)變,、溫度、振動等參數(shù)的測量[2-3],。FBG傳感器是一種波長調(diào)制型器件,，外界物理量的變化會影響FBG的中心波長值。因此,，精確解調(diào)FBG波長的變化量是FBG傳感的一項關(guān)鍵技術(shù),。

    FBG解調(diào)系統(tǒng)的解調(diào)精度取決于FBG信號的采集精度和波長解調(diào)算法的高效性[4]。目前,，應(yīng)用最多的是利用數(shù)據(jù)采集卡采集FBG信號,利用工控機處理FBG信號,，導(dǎo)致解調(diào)系統(tǒng)體積和功耗大、成本高,，不利于實現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化,、低功耗和低成本。本文將數(shù)字信號處理器（DSP）與復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）技術(shù)相結(jié)合,，設(shè)計了用于小型FBG解調(diào)儀的數(shù)據(jù)采集電路,，完成了軟硬件調(diào)試，實現(xiàn)了FBG傳感信號的有效采集,。
1 采集系統(tǒng)整體設(shè)計
1.1 性能分析
    FBG傳感系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,。在F-P濾波器控制器的作用下通過可調(diào)諧F-P濾波器[5]，經(jīng)過3 dB耦合器,，將寬帶光源中不同頻帶的光波周期性地分成兩個支路,。其中一路入射到參考通道，這一部分的作用是用來對可調(diào)諧F-P濾波器進行校準(zhǔn),，消除可調(diào)諧F-P濾波器腔長漂移對測量精度的影響[6],；另一路入射到FBG傳感通道中，F(xiàn)BG傳感通道中所有光纖布拉格光柵的反射譜必須在F-P濾波器的掃描范圍內(nèi),并且各個布拉格光柵的反射譜不能重疊,，否則會引起信號串?dāng)_,。在每個通道中,當(dāng)F-P濾波器掃描波長與FBG反射波長一致時,光電檢測組件探測到的光能量最大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步采集兩路光電檢測器輸出的電壓信號,，并將采集后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機,然后根據(jù)電壓峰值坐標(biāo)與Bragg波長的關(guān)系得到反射波長的值,從而達到傳感信號解調(diào)的目的,。

    本傳感系統(tǒng)選用的可調(diào)諧Fabry-Perot（F-P）濾波器的掃描頻率設(shè)為10 Hz,寬帶光源的光譜寬度為78.2 nm,，當(dāng)波長分辨率達到4.9 pm時,每通道一個采樣周期內(nèi)采集16 000個點， 要求采集系統(tǒng)單通道的采樣率達到160 kS/s以上,，并且可以多通道同步采樣,。若數(shù)據(jù)采用16 bit記錄格式，也就是每個點數(shù)據(jù)量為2 B,，則一個掃描周期內(nèi)單通道數(shù)據(jù)量為32 KB,， 2通道總數(shù)據(jù)量為64 KB。
1.2 器件選型
    DSP能夠快速實現(xiàn)各種算法,運算精度高[7],；CPLD具有內(nèi)部延時小,、速度快、全部邏輯由硬件完成等優(yōu)點,，接口靈活,，被廣泛用于各種時序和邏輯控制電路；由DSP和CPLD組成的最小系統(tǒng)能夠滿足FBG解調(diào)系統(tǒng)小型化和低功耗的要求[8],。本系統(tǒng)以DSP+CPLD 的硬件結(jié)構(gòu)為開發(fā)平臺,，DSP選用TMS320F2812(以下簡稱DSP)芯片作為核心處理器[9]，其最大工作頻率可達到150 MHz,；CPLD采用EPM240T100C5N(以下簡稱CPLD)芯片做邏輯控制元件,。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國TI公司的ADS8556，它是16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器,包括6個16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）,；3個獨立的轉(zhuǎn)換啟動信號分別控制每2個通道的轉(zhuǎn)換,，并且可以2/4/6通道同步采樣[10],；其內(nèi)部參考電壓可取2.5 V或3.0 V,，最大輸入電壓范圍可以達到±12 V；ADS8556可采用并行或串行接口模式,，其中,，并行接口模式下單通道采樣速率可達到630 kS/s。由于實時采集的數(shù)據(jù)量比較大,，因此采用外部存儲芯片IS61LV25616(以下簡稱SRAM)對DSP的數(shù)據(jù)存儲空間進行擴展,，其容量為256 K×16 bit。
2 采集硬件電路
    光電檢測器將兩路光柵信號轉(zhuǎn)換成電信號后,，由于信號強度較弱,，信號中包含大量噪聲。首先要對電信號進行放大,、濾波處理,，然后送入A/D進行采集。采集系統(tǒng)的主要硬件電路如圖2所示,。

    將DSP的地址線A0,、A1和/CS0分別連接至CPLD的I/O口上,。DSP對/CS0對應(yīng)的區(qū)域地址進行讀操作時，相應(yīng)片選端和讀信號被置為低電平,，地址線上出現(xiàn)所要讀取的地址,。CPLD對片選信號/CS0和地址線A0、A1進行地址譯碼,，實現(xiàn)對A/D的控制,。ADS8556的片選信號/CS、復(fù)位信號/RST分別連接到CPLD的I/O口上,，通道組A的啟動轉(zhuǎn)換信號CONV_A連接到CPLD的I/O口上,，用來啟動CH1和CH2通道的同步轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間,，CONV_A保持高電平,，BUSY信號在轉(zhuǎn)換期間為高電平，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY信號返回低電平,，將DSP的外部中斷INT1通過CPLD連接至BUSY信號,，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADS8556向DSP申請中斷去讀取數(shù)據(jù),。ADS8556的16位數(shù)據(jù)線與DSP的16位數(shù)據(jù)總線直接相連,；DSP的讀信號/RD通過CPLD與ADS8556的讀信號/RD相連接，讀取A/D數(shù)據(jù)時,，片選信號/CS先置低,，讀信號/RD每變低一次，DSP從16位總線上讀取1個通道的數(shù)據(jù),，需要讀取2次將2通道數(shù)據(jù)讀走,。
3 采集控制軟件
    DSP通過對不同地址的讀取來向CPLD發(fā)送指令，CPLD通過片選端和地址線譯碼來執(zhí)行相應(yīng)的功能,。DSP的軟件流程圖如圖3所示,，采用C語言編寫。

    首先,，對變量以及相應(yīng)寄存器進行初始化,，將2個通道存儲采集數(shù)據(jù)的數(shù)組定義在SRAM對應(yīng)的存儲空間，以滿足數(shù)據(jù)存儲容量的要求,。本系統(tǒng)每個通道采樣率設(shè)為160 kS/s,，采樣周期為0.1 s，即每6.25 μs保證采樣一次,。采集控制的主要流程是：DSP發(fā)送啟動轉(zhuǎn)換指令后,，CPLD啟動A/D轉(zhuǎn)換，在其內(nèi)部產(chǎn)生一個周期為6.25 μ的定時器，每次定時器時間到,，向CONV_A端提供高電平轉(zhuǎn)換信號,，啟動一次A/D轉(zhuǎn)換，2通道的模擬信號同時開始轉(zhuǎn)換,ADS8556的轉(zhuǎn)換時間是1.26 ?滋s,。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，BUSY信號變低電平產(chǎn)生中斷，DSP進入中斷子程序讀取數(shù)據(jù),。CPLD根據(jù)DSP的讀數(shù)據(jù)指令控制A/D的片選信號,，結(jié)合讀信號低電平讀取2次轉(zhuǎn)換結(jié)果，存放在對應(yīng)的數(shù)組中,，采樣點數(shù)加1,，退出中斷，等待下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,，再次讀取數(shù)據(jù),。當(dāng)讀取完16 000次數(shù)據(jù)之后，開始進行數(shù)據(jù)傳輸,。將數(shù)據(jù)傳輸完之后,，將存放數(shù)據(jù)的數(shù)組清零，再次啟動轉(zhuǎn)換,，完成下一個周期的數(shù)據(jù)采集與存儲,。
    CPLD采用Verilog語言編寫內(nèi)部時序和邏輯電路， 時序電路主要根據(jù)DSP發(fā)送來的啟動轉(zhuǎn)換命令,，產(chǎn)生16 000個周期為6.25 ?滋s的轉(zhuǎn)換信號CONV_A,，其高電平保持2 ?滋s，保證每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成,。在16 000次轉(zhuǎn)換結(jié)束后停止采集,，等待DSP的下次啟動轉(zhuǎn)換指令的到來；邏輯電路主要完成內(nèi)部管腳之間的連接以及根據(jù)地址譯碼來完成對ADS8556的片選信號和讀信號控制,。
4 數(shù)據(jù)采集性能測試
4.1 采集準(zhǔn)確性的實驗測試
　 為了測試本系統(tǒng)采集的準(zhǔn)確性和可靠性,，完成電路軟硬件調(diào)試之后,，將FBG傳感系統(tǒng)與采集電路連接起來,，F(xiàn)BG傳感通道輸出信號接入采集電路的CH1。
   在實驗中,，加在F-P濾波器上的掃描電壓范圍為0~18 V,，調(diào)諧電壓掃描頻率為10 Hz。當(dāng)在傳感通道中串聯(lián)3個FBG傳感器時,，由示波器觀測到的F-P掃描電壓和光電檢測器輸出信號的原始波形如圖4所示,。

    當(dāng)加在F-P濾波器上的掃描電壓為三角波時，對應(yīng)掃描正程和返程兩個周期的光柵信號,，由示波器觀測到的三角波掃描電壓和傳感通道1的原始波形如圖6所示,。運行程序時,，相應(yīng)地采集兩個周期的數(shù)據(jù)，存放在長度為32 000的數(shù)組中,，得到的數(shù)據(jù)波形如圖7所示,。

    由以上實驗結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集信號,，采集結(jié)果無失真,。
4.2 同步采集的實驗測試
   為了測試采集系統(tǒng)CH1和CH2通道是否實現(xiàn)了同步采集，在FBG傳感通道串聯(lián)3個光柵,，輸出的信號同時接到采集電路的CH1和CH2,，采集一個周期0.1 s的光電信號，圖8所示為在CCS3.3環(huán)境下用Graph雙通道模式顯示的2通道的數(shù)據(jù)波形,。

    由圖可知,，本系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)2通道數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)ADS8556的特點,，還可以擴展為多個傳感通道的采集系統(tǒng),。
    本文設(shè)計實現(xiàn)了用于解調(diào)FBG傳感信號的數(shù)據(jù)采集的硬件電路，編寫了采集控制程序,，完成了軟硬件調(diào)試,；將采集系統(tǒng)與FBG傳感系統(tǒng)連接起來進行了性能測試。實驗結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集光電信號,，滿足FBG解調(diào)儀波長分辨率、采集速度的要求,。本系統(tǒng)可以擴展多個光柵傳感通道,完成多通道的同步采集,；還可以在DSP中編寫波長解調(diào)算法，減輕上位機的工作量,，最終實現(xiàn)解調(diào)系統(tǒng)的小型化,。
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