基于嵌入式的光纖傳感檢測電路設計與實現

史振江 孫玉梅

1. 廣東開放大學（廣東理工職業學院）工程技術學院，廣東廣州 510091；2. 石家莊鐵路職業技術學院 測繪工程系，河北石家莊 050041

一、前言

溫度傳感器是指能感受外界溫度并轉換成可用輸出電信號的傳感器，在工業生產及日常生活中應用很廣泛。光纖FBG溫度傳感器由于具有易于集成和埋覆測量、對傳感信息采用本征性波長編碼、免受電磁噪聲和光強波動干擾等優點，尤其適用于在惡劣的環境中進行溫度監測[1-3]。

嵌入式系統可以根據不同的應用需求對軟硬件進行裁剪，在人工智能、工業控制、汽車電子、無線通信等很多方面具有廣泛的應用。智能傳感器[4-8]是將傳感器檢測與嵌入式系統有機結合在一起，充分利用微處理器進行數據分析和處理，并能對內部工作過程進行控制和調節，實現系統的自診斷、自校準、自補償及遠程通信等功能。

本文利用三星公司的ARM處理器Exynos4412實現光纖FBG溫度傳感器的解調控制，基于Linux內核和QT文件系統完成嵌入式系統開發。測試結果表明，嵌入式系統的Linux內核可以正常引導和啟動，QT圖形化界面可以實時顯示光纖反射譜峰值以及對應的溫度值。

二、系統框圖與原理分析

光纖光柵溫度解調系統如圖1所示。寬帶光源發出的光經過耦合器耦合到傳感光柵中，傳感光柵將符合布拉格波長的光反射到可調光纖F-P濾波器中，ARM芯片控制D/A轉換電路輸出鋸齒波形狀的電壓，進而調節光纖F-P濾波器上的壓電陶瓷長度（即光纖F-P腔的腔長），當發射光信號通過光纖F-P濾波器出現最大透射光強記錄下對應的D/A轉換電路輸入的數字量。由于光纖F-P濾波器透射波長與施加于自身鋸齒波電壓之間具有線性對應關系，通過測量鋸齒波電壓值可以間接計算出光纖光柵的反射譜中心波長，實現光纖光柵溫度信號的解調。

解調電路由嵌入式控制電路、放大電路、濾波電路、整形電路、中斷產生電路、D/A轉換電路、觸摸輸入電路和溫度顯示電路組成。解調電路的任務就是捕捉對應反射譜峰值的數字量、計算反射譜中心波長和對應的溫度值。

三、解調電路設計

1、放大濾波電路

放大濾波電路原理圖如圖2所示。光電探測器將光纖光柵的反射光變換成表征光強的電信號，經過運放OPA37（U1）構成的同相比例放大電路將信號放大3倍。放大后的信號再經過OPA37（U2）構成的二階有源低通濾波器進行放大和濾波，其放大倍數為3倍。即經過放大和濾波電路后光電探測器輸出的電信號整體放大了9倍。放大濾波電路頻率特性如圖3所示，實現了低通濾波，通帶放大倍數為9，并且通帶內幅值比較平坦。

2、整形電路

整形電路原理圖如圖4所示。整形電路利用比較器LM393構成單限比較器，將反射譜電壓信號轉換成矩形脈沖電壓信號，當輸入信號大于2V參考電壓輸出高電平（約5V），反之當輸入信號小于2V參考電壓輸出低電平（約0V），整形電路仿真圖如圖5所示，正弦波是輸入信號，脈沖波是整形之后的輸出信號。直接捕捉傳感光柵反射波的中心波長峰值（如圖5中b點位置）很容易產生偏差，由于光柵反射波的對稱性可以首先捕捉到a點和c點的位置，然后取平均值的方法確定b點的位置，也就是光柵反射波中心波長峰值位置。

3、中斷產生電路

經過整形電路后的波形是矩形波，對應每一個傳感光柵反射波會形成一個正脈沖，即一個上升沿和一個下降沿，然后觸發ARM控制器實現D/A輸入數據的保存。但是ARM控制器的中斷觸發方式不能同時為上升沿和下降沿，只能是上升沿或者下降沿。如果ARM控制器的中斷觸發方式為上升沿觸發，那么就需要把脈沖的下降沿也轉換成同一時刻的上升沿。中斷產生電路仿真圖如圖6所示，變換前的正脈沖經過反相處理后變成變換后的負脈沖，利用變換前的上升沿a和變換后的上升沿d去觸發ARM控制器的中斷則可以在一個傳感光柵反射波時間內產生兩次中斷。

4、D/A轉換電路

D/A轉換電路原理圖如圖7所示。D/A轉換電路將來自ARM控制器IO引腳的數字量轉換成鋸齒波電壓波形去調節光纖F-P濾波器上的壓電陶瓷長度（即光纖F-P腔的腔長），實現對反射譜的窄帶掃描。為了防止D/A轉換噪聲導致鋸齒波產生毛刺，在D/A轉換后加入了由運放構成的二階低通濾波環節，D/A轉換電路仿真圖如圖8所示，由圖可見鋸齒波基本是光滑的。

5、ARM控制器

嵌入式控制芯片采用基于Cortex A9內核的四核處理器Exynos4412，其內部結構框圖如圖9所示。該芯片具有32kb指令，32kb數據緩存MMU，外部存儲器控制，提供LCD控制器，1通道的LCD專用DMA控制器，4通道DMA，3通道SPI，8通道IIC，4通道UART，兩主機USB口，看門狗定時器，1通道內部定時器，4通道PWM定時器，117個通用IO引腳，具有多個外部請求引腳，帶日歷功能的RTC控制器，4通道12位ADC，具有PLL的片上時鐘發生器。由于ARM控制器具有豐富的片上資源，可以支持LINUX系統運行。

四、軟件設計

在Ubuntu12.04.2平臺上利用Qt creator 5.3.2軟件設計了解調系統的圖形界面，如圖10所示。采用C++語言編寫程序代碼，利用QT/E4.7.1庫進行程序編譯后生成可以在開發板上運行的QT可執行文件。

首先在4412開發板上通過fastboot方式燒寫U-BOOT文件、包含底層驅動的內核文件，以及QT文件系統。然后將在Qt creator 5.3.2軟件中編譯生成的QT可執行文件拷貝到開發板上加載運行，運行界面如圖11所示。程序運行界面可以顯示光纖反射譜的波形和計算后的當前實時溫度，實現了光纖傳感反射信號檢測與解調功能。

五、結束語

本文利用ARM控制器和外圍硬件電路實現對光纖傳感信號的解調。利用multisim軟件對硬件電路進行了設計與仿真分析，利用linux+QT架構實現了嵌入式系統開發運行。