基于FPGA与ARM的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法与流程

本发明提供一种基于现场可编程门阵列(即field－programmablegatearray,以下简称fpga)和微处理器arm(即acornriscmachine，以下简称arm)的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法,包括电源模块、数字模拟转换模块、光电转换模块、模拟数字采集模块、数据处理模块，能够实现对光纤光栅波长数据的解调，属于结构健康监测
技术领域：
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背景技术：
：光纤光栅传感器由于具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、本征无源、易维护等优点，随着光纤光栅技术的发展，使其在各种大型机电、石油化工、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中得到越来越广泛的应用。光纤光栅传感器的主要原理是光纤光栅的波长会因外界环境的变化而变化，因此，光纤光栅技术的关键是光纤光栅解调系统的设计。在现有的光纤光栅传感器硬件解调系统中，处理系统往往采用单一处理器，导致光纤光栅解调系统的并行处理能力、实时性较差，与片外扩展存储器以及与外设通讯复杂，另外，集成化的系统不便于系统进行升级、调试和维护等操作。基于以上现状和问题，本发明提出一种基于fpga与arm的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法。技术实现要素：(一)本发明的目的是：一种基于fpga与arm的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法，以实现对光纤光栅波长的解调，同时利用模块化的封装，简化系统设计、调试和维护等操作。(二)其具体技术方案如下：本发明一种基于fpga与arm的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法，它包括以下步骤：步骤一，搭建光纤光栅传感器的结构健康监测硬件系统，确定硬件系统所使用的开发板、编程语言和处理器；步骤二，设计硬件系统的电源模块，为硬件系统的各个模块提供输入电压；步骤三，设计数字模拟转换模块(法布里-珀罗谐振腔驱动模块)；数字模拟转换模块将数字信号转换成模拟信号，最终产生锯齿波；步骤四，设计光电转换模块；光电转换模块将光纤光栅传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器，将电流信号转换成电压信号；步骤五，设计模拟数字采集模块；光模拟数字采集模块将光纤光栅传感器的光信号转换成电信号，然后进行电信号调理、滤波并实现数模转换(即digitaltoanalog，以下简称ad)，将模拟信号转化为数字信号；步骤六，设计数据处理模块；采用fpga和arm相结合的方法，主要完成数据的预处理、f-p腔驱动信号的产生和波长算法的实现功能。其中，在步骤一中所述的“搭建光纤光栅传感器的结构健康监测硬件系统”，是指使用型号为xc7z020-1clg484i的集成开发板miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用fpga和arm处理器相结合的平台，并采用版本为“vivado2015.4”的开发软件进行硬件系统的开发。其中，在步骤二中所述的“设计硬件系统的电源模块”，是指提供5伏、12伏、-12伏和33伏电压，其中系统的输入电压为24伏。采用tps5430芯片将24伏输入电压降压到14伏，然后利用lt1763芯片将14伏电压稳压到12伏，然后再将14v电压降低到6.5伏，用lt1763-5芯片将6.5伏电压稳压到5伏；对于-12伏电路的获取，采用max766反相开关稳压器将上述得到的6.5伏电压转换为-15伏，然后利用负电压、低功率稳压器lt1964-1将电压稳定到-12伏；最后利用反相开关稳压器mc33063将得到的6.5伏电压升压到36伏，然后用差线性稳压器lt3010将电压稳定到33伏。其中，在步骤三中所述的“设计数字模拟转换模块(法布里-珀罗谐振腔驱动模块)”，是指采用电压稳压芯片ref5025来提供基准电压，配合使用型号为dac8830的数模转换芯片进行数字模拟转换。其中，在步骤四中所述的“设计光电转换模块”，是指利用ingaas型pin二极管将光纤光栅传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器ad8304将电流信号转换成电压信号。其中，在步骤五中所述的“设计模拟数字采集模块”，是指采用型号为ad9244的高速ad采集芯片进行数据采集，采样频率为5mhz。其中，在步骤六中所述的“设计数据处理模块”，是指采用fpga和arm相结合的方法，fpga高速实时采集光纤光栅传感器的信号，进行二阶滞后滤波后实时寻找峰值位置，然后将峰值位置信息通过内部axi总线协议传输到arm端，实现光纤光栅波长的解调；解调后的光纤光栅波长信息在arm端进行打包，通过网络通信协议(tcp/ip协议)发送到计算机端处理。通过以上步骤，实现了基于fpga与arm的光纤光栅传感器硬件解调系统，能够对光纤光栅的波长信号进行解调，此外，硬件系统将各个功能封装成模块，简化了系统的设计工作，各模块之间可单独调试运行，便于降低系统复杂度，使系统升级、调试和维护等操作简单化。(三)本发明的优点在于：光纤光栅传感器硬件解调系统，能够对光纤光栅的波长信号进行解调，本发明结合fpga和arm，硬件解调系统不仅有强大的并行信号处理能力，在应对控制复杂度低、数据量大的运算时具有较强的优势，而且具有高可靠性的片内信号离散化过程。arm处理器与fpga可编程逻辑门阵列相结合，串行和并行处理能力强，发挥了fpga逻辑控制对大量数据进行高速处理的优势以及arm软件编程灵活的特点。本发明采用axi总线协议来实现arm与fpga的通信，这不仅简化了arm与fpga之间的通讯，也使片外扩展存储器以及与外设通讯变得相对简单，基于arm的fpga能够对逻辑资源进行动态配置，灵活快速地对系统功能进行切换，节省逻辑资源，能够满足大规模应用的需求。附图说明图1本发明所述方法流程图。图2数字模拟转换模块(法布里-珀罗谐振腔驱动模块)设计。图3光电转换模块的设计。图4数据处理模块设计。图5解调结果显示。图中序号、符号、代号说明如下：图1中：“f-p腔”为法布里-珀罗谐振腔；“fpga”为现场可编程门阵列；“arm”为acornriscmachine。图2中：“da”为数字模拟信号转换。图3中：“pin”为pin光电二极管。图4中：“ad”为模拟数字信号转换；“spi”为标准串行外围设备接口协议。具体实施方式本发明一种基于fpga与arm的光纤光栅传感器硬件解调系统的实现方法，见图1所示，其具体步骤如下：步骤一，确定硬件系统使用的开发板、编程语言和处理器。本发明使用型号为xc7z020-1clg484i的集成开发板miz702(南京米联电子)，该集成开发板采用fpga和arm处理器相结合的平台，并采用版本为“vivado2015.4”的开发软件进行开发；步骤二，电源模块的设计。本发明中所用模数转换(即analogtodigital，以下简称ad)芯片、数模转换(即digitaltoanalog，以下简称da)芯片、光电探测电路等模块需要提供输入电压。系统中电源模块主要提供5伏、12伏、-12伏和33伏电压。其中系统的输入电压为24伏。本发明采用tps5430芯片将24伏输入电压降压到14伏，然后利用lt1763芯片将14伏电压稳压到12伏，然后再将14v电压降低到6.5伏，用lt1763-5芯片将6.5伏电压稳压到5伏。对于-12伏电路的获取，采用max766反相开关稳压器将上述得到的6.5伏电压转换为-15伏，然后利用负电压、低功率稳压器lt1964-1将电压稳定到-12伏。最后利用反相开关稳压器mc33063将得到的6.5伏电压升压到36伏，然后用差线性稳压器lt3010将电压稳定到33伏。步骤三，数字模拟转换模块(法布里-珀罗谐振腔驱动模块)设计，如图2所示。将数字信号转换成模拟信号用于法布里-珀罗谐振腔(即f-p腔)，驱动信号产生包括数据的产生与数据的发送，数据产生指产生一系列的循环数据作为f-p腔驱动板的输入信号，同时产生一系列时序用于实现ad采集、寻峰算法、系统初始化等功能。数据发送指以标准串行外围设备接口协议(即serialperipheralinterface，简称spi协议)将数据产生模块的数据通过开发板预留的用户io发送到f-p腔驱动板，用以产生规律的锯齿波驱动信号。f-p腔驱动板采用电压稳压芯片ref5025来提供基准电压，配合使用型号为dac8830的数模转换芯片进行数字模拟转换，其中基准电压稳压芯片对数模转换的精度起着决定性的作用。按照以下公式进行数模转换：其中din为数字量，取值范围为0-65535，由软件产生，经spi协议传输；vref为基准电压值。所以数模转换的输出精度主要由芯片的位数与基准电压决定。为了避免驱动电压加载到f-p腔上产生失真和减弱上级电路对f-p腔的影响，本发明采用型号为opa277的电压跟随芯片设计电压跟随电路。此外，还采用型号为opa551的电压放大芯片将锯齿波放大到满足f-p腔驱动信号电压幅值的要求。步骤四，光电转换模块的设计需要满足光电变换能力强、响应速度灵敏、可靠性好、稳定性高等要求，设计流程如图3所示。光电转换模块将光纤光栅传感器的光信号转换成电流信号，再利用对数放大器，将电流信号转换成电压信号。通过光电检测器件的性能参数的对比，如表1所示，本发明选择了pin光电二极管为光电转换的器件，在此基础上对si、ge、ingaas三种类型的pin二极管的性能作出对比，如表2所示，最后选择ingaas型pin二极管作为本发明使用的光电二极管。由于本发明所述方法只需要得到峰值位置信息，所以对于光电二极管输出的电信号采用对数放大器“ad8304”进行放大，最终得到与光信号对应的电压信号。表1光电检测器件的性能参数对比注：“t”为时间特性的简写；“d”为噪声特性的简写。表2si、ge、ingaas三种类型的pin二极管的性能对比材料响应波长(mm)响应度峰(a/w)响应时间(ns)si-pin400-11000.60.5-1.0ge-pin800-16500.50.1-0.5ingaas-pin1100-17000.90.05-0.5注：“si-pin”为硅pin光电二极管；“ge-pin”为锗pin光电二极管；“ingaas-pin”为铟镓砷pin光电二极管。步骤五，ad采集模块设计。光纤光栅的光信号通过光电转换模块后成为电信号，然后对电信号调理、滤波并进行ad采集，将模拟信号转化为数字信号。本发明采用型号为ad9244的高速ad采集芯片进行数据采集，采样频率为5mhz。步骤六，数据处理模块设计采用fpga和arm相结合的方法，如图4所示，主要完成数据的预处理、f-p腔驱动信号的产生和波长算法的实现等功能。光纤光栅的解调主要包括了在fpga部分的寻峰算法和arm端的波长解调算法。fpga高速实时采集光纤光栅传感器的信号，进行二阶滞后滤波后实时寻找峰值位置，然后将峰值位置信息通过内部axi总线协议传输到arm端，实现光纤光栅波长的解调。解调后的光纤光栅波长信息需要在arm端进行打包，通过网络通信协议(tcp/ip协议)发送到计算机端进行进一步的处理，解调结果如图5所示。当前第1页12