基于双LPFG及嵌入式技术的双边缘滤波解调系统

布拉格光纤光栅(FBG)属于光纤无源器件，具有良好的稳定性、可靠性，抗干扰性能力强，寿命长，复用性好，易于实现远距离实时监控等，因此，FBG传感器已被广泛用于工业、民用、军事等各个领域。FBG的中心波长随外界参量，如温度、应力和应变等的变化而变化，对于FBG波长的探测即成为使用 FBG传感器解决实际工程问题的关键所在。目前，对FBG传感信号解调的方法主要有干涉解调法、可调谐法布里 -珀罗(F-P)腔法、FBG匹配滤波法和边缘滤波法等。这些方法各有优劣，其中边缘滤波法因结构简单、成本低、性能稳定等优点受到关注 。该系统即采用基于长周期光纤光栅(LPFG)的线性双边缘滤波法作为解决方案。

此外，现存的解调方案中-般以ARM或 DSP，甚至工控板卡作为处理及控制核心器件。这样除成本高外，ARM及 DSP较为复杂的使用方式无疑还增加了系统电路及软件的设计难度。该系统采用兼容51内核的C8051F系列单片机作为控制及处理核心，LPFG作为线性滤波器，最终实现对于多路FBG温收稿日期：2012-07-3l 收修改稿 日期：2013-03-09度传感器信号的解调，并达到较高的精度和线性度。

1 线性双边缘滤波解调原理线性双边缘滤波解调实现的原理与结构较为简单。其利用反射 FBG信号通过不同光谱特性的滤波器时输出的发光强度不同这-特性，得到FBG传感器对应波长的变化 。线性双边缘滤波法需使用 2支谱线存在交叠且具有线性特性的滤波器，同时要求器件的传输谱近似符合高斯型。其中谱线交叠的部分即为对 FBG波长解调的有效范围，故选用宽谱光源可保证对于滤波器交叠范围的有效利用。线性双边缘滤波解调装置原理示意如图1所示，其中耦合器2将FBG传感器的反射光分为2路分别进入滤波器 1和滤波器2，光信号经滤波器后进入光电转换拈。因为2支滤波器的传输特性不同，故所输出的光特征不同。理论上输出光谱等于输入光谱和所通过信道特征的卷积 。

线性双边缘滤波解调原理如图2所示，FBG传感器的反射谱可较好地近似为高斯型，表示为：， 、 、 、2(A)6expI-4(1n2) l (1) L /AAB J式中：b与△A 分别为FBG高斯型反射谱的反射峰值和波形半第6期 李成贵等：基于双LPFG及嵌入式技术的双边缘滤波解调系统 103宽高度(FWHM)。

斟图1 解调装置原理系统中使用长周期光纤光栅作为线性滤波器，故在图2中直接使用长周期光纤光栅的透射谱形作为原理介绍，FBG反射谱在LPFGI-q LPFG2的交叠部分平移。2支滤波器的交叠部分也可很好地近似为高斯型，可分别表示为：A)aexp[-4(1n2) ] (2)(A)a2exp[-4(1Il2) (3)式中：o，、o：和△ 、△A，2分别表示两支滤波器的传输峰值和谱形半高宽度(FWHM)。

理论上，输出光谱等于输入光谱与所通过信道传递函数的卷积，则第-路输出光强可表示为：P-(A6)：s(A ) 8(A)Ft(A)dA (4)Js(hi)表示光源的发射谱理想情况下，与滤波器的带宽相比，光源谱密度的变化是缓慢的，故可以从积分式中提出。假设此时FBG的反射波长为 ，将式(1)、式(2)代入式(3)则有：Pl s( 6△ △AB×√ ×e [41 ㈤同理可得到 P2，假定 lAAh-AA I《△AB，令：p(A)log朋 ：， 、4(1og2)(AAf2-△An))[2x-(A An)-下 2可 - L j 。

l0g s(xz2 )aXa 糕 (6)可以明显看出FBG的中心波长 和p( )呈线性关系，从而 的值可由测量p( )的值得到。波长测量的灵敏度由FBG与两滤波器的相互交叠的带宽决定，与 2△A 成反比，而波长测量动态范围则与 成正比。

2 系统设计2.1 系统硬件部分设计硬件系统设计示意如图3所示，选用 C8051F系列单片机作为处理核心，该系列单片机具有与CIP-51完全兼容的指令集，且采用流水线处理技术，可达 25 MIPS.系统使用该单片机提供的-个连接有多通道多路开关的ADC拈，l2位精度，INL为±1 LSB.系统中的动态数据存储部分采用铁电存储器FM25L256作为数据存储拈，铁电存储器相比于其他传统的非易失性存储器如EEPROM、FLASH等有以下几个优势：(1)写入速度快 ：25 MHz频率下铁电存储器的写入速度为- 般 EEPROM的488倍。且在频繁掉电及高噪声环境下铁电存储器依然保持着较好的数据写人性能。

(2)高耐久性：铁电存储器比-般串口EEPROM器件有着超过10 000倍的耐性。

(3)低功耗：铁电存储器比-般串口存储器拥有低于3 000倍的功耗，并有着出色的抗干扰能力。

图3 硬件系统设计示意图如图3所示，MCU1、MCU2及 MCU3分别为3片 C8051F系列单片机，其中MCU1-2分别负责接收8路光电转换信号并进行A/D转换，待转换完毕后将数据存入铁电存储器。MCUI负责从铁电存储器中提取数据并进行处理同时通过串口将数据传输至上位机。3块处理核心分工明确，达到了同时处理 l6路光电转换信号的要求。

2.2 系统软件部分设计2.2.1 嵌入式软件设计架构系统采用C语言面向对象编程(OOPC)技术实现系统的软件部分 。采用OOPC技术的主要原因有：(1)回避C语言面向过程编程中产生的拈间耦合性过强，不易更改的缺陷，方便系统的优化升级。

(2)利用网上开源的 LW-OOPC宏，可方便地运用面向对象思想进行编程，且代码效率较 C语言更高。

进行具体的软件架构设计之前，进行了必要的软件需求分析和用例(USECASE)分析。根据以上分析并结合已有硬件部分设计做出了系统的软件架构设计，如图4所示。

架构中InterfaceAble为接口类，并定义了2个行为Scan与do，分别对应于系统时序的把握和-般动作实现。Proces。

sorAd与 ProeessorMa分别继承 自该接 口类 并派生出采样类Sampling、滤波器类 Filter、存储类 reserve。数据库类 DataBase、串口类 Serial、控制类 Control单独设计。

2.2.2 系统运行时序设计由于系统采用3片处理核心，并要完成模数信号转换、数104 Instrument Technique and Sensor审 宦 图4 软件架构示 意图据存储、数据处理、数据传输等功能。因此系统运行的时序设计就显得至关重要。

具体设计如图5所示，为保证系统运行的稳定及对铁电存储器操作的正常，将 MCU1及MCU2-3对铁电存储器的操作设置于时序的正周期和负周期中。MCU1于正周期中依次从铁电存储器中取出数据进而计算波长变化，在负周期中通过串口将处理后的数据上传至上位机。MCU2-3在时序的正周期中处于等待状态，负周期中进行信号的采样及滤波及存储等相关处理 。

Mcu 案l等待lMcU2 l 等待 I采样f 茬l等待f-----啦理周辨----图5 系统时序设计示意图3 试验及数据分析所采用的2支线性滤波装置为长周期光纤光栅。2支长周期光纤光栅的中心波长分别为1 555.400 am与1 559.600 nm，且两者谱线对称相交于1 557.500 nm，交叠区域为4 nm，使用2支长周期光纤光栅分别代替图1中的滤波器1与滤波器2。由于长周期光纤光栅的滤波性能极易受栅区轴向应变与温度的影响，故系统对 2支长周期光纤光栅进行了封装 ]，如图 6所示 。

轻物图6 长周期光纤光栅封装示意图在轻物的拖曳下使光纤光栅的栅区处于适合的紧张状态再于A、曰两点分别使用粘着剂固定于封装盒中。

试验所选FBG传感器中心波长为1 556.700 lm，3 dB带宽为0.2 rim.由于系统硬件设计环节将光电转换与对数转换拈集成-处，两者对于最终数据的计算准确度有较大影响，且输入光电转换拈的发光强度与输出电压间存在线性关系。故对光电转换与对数转换拈的输出电压值进行了测量并将其测量值作为计算 FBG波长变化的参考。试验中同时使用光谱仪对 FBG的波长变化进行检测，得到的试验结果见表 1。

表 1 线性双边缘滤波解调试验数据表 1中， 与 分别为经长周期光纤光栅滤波后 ，2路光信号经光电转换与对数放大后输出的电压值～计算所得log(v，/v)的计算值与通过光谱仪(OSA)所测得的波长值相结合所绘制出的曲线如图7所示。

1 557.3OO1 557.2001 5571001 557 000鲻1 556.9001 556.8001 556.7001.O图7 双边缘滤波解调值与光谱仪所测波长关系曲线可以清晰看出log(V，/ )与 OSA所测波长间存在基本线性关系：Y0.344 3x1 556.973 6 (7)将线性拟合计算波长值与光谱仪所测波长值进行比较得到均方差为10 pm，表明该解调方法具有良好的准确度与线性度。

4 结论文中提出的基于双长周期光纤光栅与嵌入式技术的线性双边缘滤波解调系统设计，利用长周期光纤光栅的线性透射谱性作为线性滤波器，及该滤波器输出的发光强度比值的对数与被测波长存在线性关系，从而实现解调。该设计优势明显：解调速度快、稳定性好、结构简单。不存在机械移动部分，且无复杂的辅助信号处理电路。

同时，设计采用兼容 CIP-51指令集的C8051F系列单片机作为信号处理核心，使用其内置 12位 ADC作为模数转换模块。使用铁电存储器FM25L256作为动态数据存储拈∠好地解决了软件不易更改，升级困难的问题。同时基于已有的硬件及软件架构对系统的运行时序进行了设计，使得系统得以稳定可靠运行。最后通过试验对系统的部分性能进行了验证。

试验表明解调系统对 FBG传感器波长的线性拟合计算值与光谱仪所测波长值的均方差为10 pin，具有较高的(下转第107页)回回富第6期 李盛等：基于PLC的模糊控制在精制乳酸生产系统中的应用 107表 1 Kp的规则4 软件设计4.1 PLC程序PLC的程序流程图如图4所示 ，模糊规则采用工艺师的控制经验及离线数据确定，将确定后的参数存人程序中，系统运行时采用最大隶属度法解模糊得到对应的输出值，送入PID控制器中运算得到新的的PID控制参数。

图4 控制程序流程图4.2 组态程序系统采用 MCGS软件，该软件通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。系统的操作界面的功能包括：反应容器内温度、反应溶液液位实时值的显示，数据的记录，操作人员登记等。以MCGS开发流程对功能进行划分 ，包括 ：主控窗 口的组态、设备窗口的组态 、用户窗 口的组态、实时数据库的组态及运行策略的组态，组态流程图如图 5所示。

图5 组态程序流程图5 结束语设计的基于PLC设计的精制乳酸生产系统，结合模糊 PID控制算法对反应容器内的液位和温度精确控制，并利用 MCGS组态软件组完成了实时数据的监控功能，减少了人为因素对生产过程的影响，同时大大减少了原来在现场的值班工人数量，使得生产线具备不停车连续生产能力，提高了产品的质量及生产效率，并保留了生产方式的机动性。系统在乳酸厂经调试通过，运行良好，实现了对生产过程的监控和控制，满足现场工艺要求。