CN1740890A - 基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，由高速采集信号源，Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块、ARM7嵌入式微处理器控制模块、10M/100M网络通讯模块、nRF905无线通信模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块、PC机端的监控软件模块等组成，其中高速采集信号源通过专用接口与Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块连接，10M/100M网络通讯模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块均与ARM7嵌入式微处理器控制模块相连接，PC机端的监控软件模块通过基于TCP/IP协议的10M/100M网络相连接。本发明基于嵌入式技术，实现多路、自适应的高速信号解调，同时***结构简单，适用于组成大型分布式监测***，而且有利于***升级和功能扩展。

Description

基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置

                        技术领域

本发明属于光纤光栅传感、信号采集与处理、健康监测领域，具体地讲是一种基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置。

                        背景技术

目前多通道多点的光纤传感信号解调***多是集中处理***，即把传感信号采集、处理、分析、显示、存储等功能都集中于一个PC中，所有功能由PC处理，解调器基本不具备处理功能。PC***虽然功能较全、性能较高，但是价格比较昂贵，尤其在组成大型集中的结构健康监测控制***需要多解调器时，其资源浪费严重，而且成本太高，更不利于***升级和功能扩展。而在大型结构工程的动态监测中，要求实现高速、高精度的数据采集与处理。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，它采用的是“SoC单片机+ARM7”的方案(SoC：System on Chip即片上***，ARM7：一种基于精简指令***的嵌入式微处理器)，SoC单片机进行高速信号采集，ARM7将采集的数据进行简单数据处理和网络传输，PC机上运行自行开发的监控端软件，将通过网络传输接收到数据进行分析、动态显示及存储数据库的基于嵌入式技术的光纤光栅传感信号高速解调及数据采集装置，以克服上述的不足。

为了实现上述目的，本发明由高速采集信号源，Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块、ARM7嵌入式微处理器控制模块、10M/100M网络通讯模块、nRF905无线通信模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块、PC机端的监控软件模块等组成，其中高速采集信号源通过专用接口与Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块连接，10M/100M网络通讯模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块都与ARM7嵌入式微处理器控制模块相连接，PC机端的监控软件模块通过基于TCP/IP协议的10M/100M网络相连接。

上述Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块通过SPI串行总线与ARM7嵌入式微处理器控制模块传输数据，ARM7嵌入式微处理器控制模块通过10M/100M以太网络模块或nRF905无线模块与PC机端的监控软件模块传输数据。

上述ARM7嵌入式微处理器控制模块通过12位D/A转换器控制F-P滤波器扫描电压，进行扫描调谐电压的自动跟踪。

本发明按功能划分为三级子装置。

第一级是高速采集信号源，其将原始的光波长信号经光电转换、放大和整形电路输出电脉冲序列信号。包括5个光纤传感器阵列连接通道，传感器***保护及稳定模块和光纤F-P滤波器扫描控制模块。5个光纤传感器输入通道由4个测量通道和1个参考通道(已内置)组成；传感器***保护及稳定模块提供***各功能模块的稳定电压，以及在***处于过压过流或传感器超量程等异常工作状态下，对传感器***提供稳压限流光电隔离保护和报警信号；光纤F-P滤波器扫描控制模块产生标准高精度锯齿波函数控制F-P滤波器的扫描电压。

第二级是基于嵌入式技术的高速数据采集、处理和传输子装置，其中包括Cygnal SoC单片机、ARM7嵌入式微处理器、10M/100M以太网络通讯模块、nRF905无线通信模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块。Cygnal SoC单片机与第一级高速采集信号源相连接；ARM7嵌入式微处理器通过SPI接口和Cygnal SoC单片机通信；UART通讯模块、10M/100M网络通讯模块、无线通信模块和flash存储模块直接与ARM7嵌入式微处理器连接；12位DA转换模块的输入端和ARM7嵌入式微处理器连接，输出端和位于第一级中的光纤F-P滤波器扫描控制电路连接。第二级子装置特点在于：

1、多通道多点性：利用Cygnal SoC单片机脉冲捕捉功能模块，实现多通道多点光纤光栅传感信号采集，可灵活配置各个通道上的传感器数量，单个解调器上的传感器总数最大可达180个，方便实现不同分布式测量的需要；

2、高分辨率：在频率为250Hz、扫描范围不低于50nm时，最高解调分辨率为1pm；

3、高速性：单个解调器上的传感器总数不超过160时，分辨率为1pm时，解调频率可达250Hz；当单个解调器上的传感器总数不超过80时，分辨率为2pm时，解调频率可达500Hz。

4、自适应性：首次在SoC脉冲捕捉功能模块内部，基于等分原理实现了对不同频率信号进行解调处理，不需要改变设置参数。

第一级和第二级组成嵌入式光纤传感解调器盒。

第三级是上位PC机工作站。PC机上运行自行开发的监控端软件，软件主要实现数据接收、数据库存储、图形显示和历史数据查询等功能。通过基于TCP/IP协议的网络连接，PC机上运行的监控软件可以同时监测最多4个由SoC单片机和ARM7组成的嵌入式光纤传感解调器盒，即同时监测、监控多达16个通道。

本发明基于嵌入式技术，实现多路、自适应的高速信号解调，同时***结构简单，适用于组成大型分布式监测***，而且有利于***升级和功能扩展。本发明将***结构和功能分级，利用成本较低的嵌入式芯片实现关键的功能——数据的高速采集和传输，而把数据的分析、存储、图形显示等耗时耗力的功能置于上位PC机，开发功能强大、性能卓越的软件来实现，既降低了***成本，又使本发明适于大型分布式和集中监测方案，具有易于升级和功能扩展的潜力。

                            附图说明

图1为为本发明的高速采集信号源原理结构框图。

图2为本发明的嵌入式数据采集、控制装置结构框图。

图3为本发明的基于Internet的大规模分布式嵌入式的智能高速采集监控***示意图。

图4为本发明的扫描电压控制原理框图。

图5为本发明应用于桥梁健康监测的实施例原理框图。

                        具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明高速采集信号源主要由：LED宽带光源，F-P滤波器，F-P滤波器扫描控制模块，光电转换、放大及整形电路模块，5通道光纤通道光路等几部分组成。F-P滤波器采用的是MIRCON OPTICS公司的压控FFP-TF滤波器，其扫描范围为60nm。通过在门控电压作用时刻，给FFP-TF滤波器的压控端加上一个锯齿波的扫描电压，宽带光源通过FFP-TF滤波器形成一个在测量范围内波长从低到高变化的线光源，并注入到各通道光纤Bragg光栅传感器，各通道bragg光纤光栅传感器的反射的信号分别进行光电转换、放大和整形，得到一个与反射窄带光光谱相对应的时间域电脉冲信号。

如图2所示，该嵌入式硬件模块主要由Cygnal公司的C8051F02X系列SoC单片机、三星公司的ARM7处理芯片S3C44B0实现嵌入式微处理器模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、10M/100M网络通讯模块(或者nRF905无线通信模块)、flash存储模块等组成。Cygnal的SoC单片机结合扫描门控信号，测量出各通道的电脉冲信号相对于扫描门控信号起始时刻的相对时间，以2Byte整形数据表示。然后将这些检测数据通过SPI串行通信总线传送到ARM7微处理器。ARM将这些数据做一些简单处理，并通过RTL8019(基于TCP/IP的10M/100M网络接口)将这些数据传送到上位PC机。UART通讯模块用于对嵌入式***进行调试和配置。flash存储器存储***参数和配置信息。ARM对数据做简单处理的同时，计算12位F-P滤波器扫描控制电压的调谐量，并送到12bit的D/A转换器输出模拟电压。

本发明采用SoC单片机上的多路PCA(Programmable Counter Array)脉冲捕捉功能实现多通道多点光纤光栅传感信号采集，可灵活配置各个通道上的传感器数量，单个解调器上的传感器总数最大可达180个，方便实现不同分布式测量的需要。同时在PCA内部，基于等分原理对不同频率信号进行解调处理，不需要改变设置参数，实现了解调频率的自适应性。在扫描频率为250Hz、扫描范围不低于50nm时，SoC单片机最高解调分辨率为1pm。另外，SoC单片机的***时钟为25MHz，大于指标要求的16MHz，因此单个解调器上的传感器总数不超过160时，分辨率为1pm时，解调频率可达250Hz，当单个解调器上的传感器总数不超过80时，分辨率为2pm时，解调频率可达500Hz，实现了高分辨率和高速的性能。

图3给出了基于TCP/IP网络的大规模集中控制的分布式的嵌入式智能高速采集监控***示意图，每个监控子***对一个具体的对象进行动态监测，如大坝或桥梁等。这些子***结合专家***，在监控中心可以对监测目标的具体状态进行进一步的分析和管理。

图5为本发明应用于桥梁健康监测的实施例原理框图。本发明适用于动态监测和静态检测，可用于桥梁健康监测、涵洞的结构监测、钢结构应变测试、石油平台监测、大型健康物安全监测等。另外此***还可以用来对一些特殊的结构进行高分辨动态监测，如各种航天器蒙皮的性能检测等等。***采用基于TCP/IP网络的大规模分布式软件支撑平台，方便用户进行各种功能的***集成。

本发明的软件是：SoC单片机高速信号采集***软件，采用的是μVersion2集成开发、调试及编译环境，通过JTAG通讯口编译和下载程序。

该程序主要实现以下功能：数据采样及处理、基于SPI串行总线的数据发送等。数据采样及处理采用PCA捕捉脉冲，结合扫描门控信号，测量出各通道的电脉冲信号相对于扫描门控信号起始时刻的相对时间，以2Byte整形数据表示。基于SPI串行总线负责将数据交给S3C44B0。

基于S3C44B0的嵌入式控制、通信***软件，采用的是μCOSII+Lwip嵌入式实时操作***和网络协议栈，以及SDT2.5集成开发、调试及编译环境，通过JTAG通讯口编译和下载程序。

该程序主要完成以下功能：基于SPI串行总线的数据接收、基于TCP/IP协议的10M/100M网络数据传输、flash数据存储、扫描调谐电压监控等。S3C44B0通过SPI接口接收SoC单片机发送的数据，数据格式为自定义格式。S3C44B0通过RTL8019(10M/100M网络)将数据按自定义格式打包，以TCP或UDP包发送到上位PC机。同时，S3C44B0对数据做简单处理，计算12位F-P滤波器扫描控制电压的调谐量，并送到12bit的D/A转换器输出模拟电压。

PC机上监控软件***，采用VC6.0集成开发、调试及编译环境。

该程序主要完成以下功能：数据包接受处理、数据库存储、数据分析及计算、多通道多点的实时波形显示、解调器监控等。软件首先接受数据包，并按自定义格式解包，再将解释后的数据进行物理量的分析和计算，然后可以将处理后的数据存储到数据库。软件可以将一些通道中的点的物理量的变化情况以波形的方式显示于显示器上。软件各功能的具体实现细节可以通过设置参数来选择。一台PC机上的监控软件，同时可以监控最多4台由SoC单片机和ARM7组成的嵌入式解调器盒。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1、一种基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，由高速采集信号源，Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块、ARM7嵌入式微处理器控制模块、10M/100M网络通讯模块、nRF905无线通信模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块、PC机端的监控软件模块等组成，其中高速采集信号源通过专用接口与Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块连接，10M/100M网络通讯模块、12位DA转换模块、UART通讯模块、flash存储模块均与ARM7嵌入式微处理器控制模块相连接，PC机端的监控软件模块通过基于TCP/IP协议与10M/100M网络或无线通信模块相连接。

2、如权利要求1所述的基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，其特征在于：Cygnal的SoC单片机高速数据采集模块通过SPI串行总线与ARM7嵌入式微处理器控制模块传输数据，ARM7嵌入式微处理器控制模块通过10M/100M以太网络模块或nRF905无线模块与PC机端的监控软件模块传输数据。

3、如权利要求1所述的基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，其特征在于：ARM7嵌入式微处理器控制模块通过12位D/A转换器控制F-P滤波器扫描电压，进行扫描调谐电压的自动跟踪。

4、如权利要求1所述的基于嵌入式技术的多通道光纤光栅高速解调装置，其特征在于：高速采集信号源包括5个光纤传感器阵列连接通道，传感器***保护及稳定模块和光纤F-P滤波器扫描控制模块，5个光纤传感器输入通道由4个测量通道和1个参考通道构成，其中传感器***保护及稳定模块提供***各功能模块的稳定电压，以及在***处于过压过流或传感器超量程等异常工作状态下，对传感器***提供稳压限流光电隔离保护和报警信号；光纤F-P滤波器扫描控制模块产生标准高精度锯齿波函数控制F-P滤波器的扫描电压。

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