基于DSP的雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)

　　為了實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采樣，本系統(tǒng)選用美國AD公司推出的一種12位帶并行微機(jī)接口的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1674來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD1674內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準(zhǔn)電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。

　　本系統(tǒng)采用TMS320VC5402作為主控芯片。這種定點(diǎn)DSP芯片可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感信號的處理、步進(jìn)電機(jī)的控制和顯示等。該芯片具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能，利用其RPT和MAC指令可以在單指令周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)乘累加運(yùn)算。其靈活的循環(huán)緩沖區(qū)和高效的C語言可使TMS320VC5402方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)尋址與卷積運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)高速度解調(diào)。

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　DSP系統(tǒng)的軟件部分主要由初始化程序、線性插值子程序或者曲線擬合子程序、顯示程序、驅(qū)動程序、中斷服務(wù)程序等幾部分組成，可以將A/D轉(zhuǎn)換和串行通訊代碼放在中斷服務(wù)程序中來實(shí)現(xiàn)。

　　初始化程序用于完成DSPI/O口、內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、串行口、中斷等資源的初始化。為了協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換和步進(jìn)電機(jī)的控制，可由DSP發(fā)出控制信號來控制步進(jìn)電機(jī)，以使經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號與加在匹配光柵上的步數(shù)一一對應(yīng)。顯示部分的程序可將此數(shù)字信號經(jīng)代數(shù)變換轉(zhuǎn)換為直接表示應(yīng)力的數(shù)字量，然后通過查表動態(tài)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力顯示。

　　當(dāng)匹配光柵反射波長與光纖光柵反射波的中心波長重疊時，光電轉(zhuǎn)換輸出脈沖信號，并向DSP請求中斷，然后由DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序，以將DSP內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量讀入DSP并保存起來，最后通過串行口發(fā)送到上位機(jī)再中斷返回。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　由實(shí)驗(yàn)可得，在砝碼質(zhì)量從0 g增加到60 g的過程中，粘貼在懸臂梁上的FBG1中心波長漂移0.716 nm，圖4所示為FBG1中心波長隨砝碼質(zhì)量變化的曲線圖。由圖4可知，懸臂梁上的FBG中心波長變化量與懸臂梁自由端所施加的砝碼質(zhì)量成較好的線性關(guān)系，并且具有較高的靈敏度。

　　實(shí)驗(yàn)中可通過增加砝碼的質(zhì)量施加對懸臂梁不斷增加的拉伸應(yīng)力。兩個匹配光柵反射光信號分別被各自對應(yīng)的光電探測器所接收。光電探測器輸出的模擬電壓信號則由以DSP為核心的信號處理系統(tǒng)的一系列處理得出傳感光纖布拉格光柵所感測到的外界物理量的大小。

　　當(dāng)PD1對應(yīng)處理后的電壓信號值為5 V時，對應(yīng)的點(diǎn)為A和C，即對應(yīng)的有兩個光纖布拉格光柵的波長值。因此，對于這個5 V電壓，解調(diào)系統(tǒng)無法直接判斷出對應(yīng)的懸臂梁負(fù)載的質(zhì)量是A點(diǎn)還是C點(diǎn)所對應(yīng)的質(zhì)量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，往往會存在兩個匹配光柵并對應(yīng)兩個光電探測器。除存在PD1外，還存在PD2。系統(tǒng)可以通過PD1和PD2兩者所對應(yīng)的電壓值來確定產(chǎn)生5V電壓時所添加的砝碼質(zhì)量。實(shí)際上，可通過DSP系統(tǒng)的運(yùn)算處理得到匹配光柵中心波長的變化量，從而得到傳感光柵的中心波長變化量。對于雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)，對應(yīng)的傳感光柵可以取反射譜的雙邊，從而擴(kuò)大傳感光柵的測量范圍。光電探測器的輸出經(jīng)信號調(diào)理電路后的電壓隨應(yīng)力的變化曲線如圖5所示。

　　4 結(jié)束語

　　雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)是以匹配法為基礎(chǔ)并加以改進(jìn)新方法。它繼承了匹配法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)。同時，雙光柵匹配解調(diào)系統(tǒng)還解決了因光電探測器導(dǎo)致的測量范圍受限的問題，也解決了匹配法中存在的雙值問題。該解調(diào)系統(tǒng)將匹配光柵粘貼于特殊懸臂梁上，并采用DSP進(jìn)行處理，不僅提高了響應(yīng)速度，而且提高了解調(diào)的精度和穩(wěn)定性。減小了匹配光柵因應(yīng)力過大而損壞的可能性。利用拉力作為系統(tǒng)的待測量進(jìn)行解調(diào)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有良好的線性度、解調(diào)精度、速度及靈敏度。