基于DSP的嵌入式光纤传感系统研究

论文摘要

基于光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）的各类传感系统已经在建筑业、制造业等民用和军用领域内被广泛运用,数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）是对信号和图像实现实时处理的一类高性能的CPU,主要用于实现各种数字信号处理算法,目前已广泛应用于通信、家电、航空航天、工业测量、控制生物医学工程及军事的许多需要实时实现的领域。本文结合二者优势,采用FBG作为调制单元,设计了基于DSP技术的嵌入式FBG解调模块,构建了一个光纤传感系统。对系统中各组成硬件进行了测试,完成了对光纤Bragg光栅反射光谱的采集和动态应变测试实验,采用功率加权算法对实验数据进行分析处理。通过光纤应变研究实验验证的光纤Bragg传感解调系统的可靠性。本文完成的主要工作1.阐述了光纤Bragg光栅的传感原理;分析了基于F-P可调谐光滤波器法的FBG传感解调原理及方法。2.构建了基于F-P可调谐光滤波器的光纤Bragg光栅传感解调系统,利用DSP技术构建了嵌入式FBG解调模块。3.嵌入式FBG解调模块中,基于DSP开发板完成了AD、DA转换电路的硬件电路板设计和制作;利用C语言和汇编语言混合编程,完成数据采集、硬件控制、功率加权算法和通信软件设计,并用LabVIEW语言编写了上位机界面。4.完成实验系统的调试,包括DA控制驱动电压的测试、外部存储器SDRAM的调试和实验完成FBG系统参数的标定。分析了采样电路的准确性和稳定性。通过光纤应力研究实验验证了嵌入式光纤Bragg传感解调系统的可靠性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤光栅传感的发展与应用概况
• 1.1.1 光纤光栅传感的国内外现状
• 1.1.2 光纤光栅传感器
• 1.1.3 光纤光栅传感信号的解调
• 1.2 DSP 技术简介
• 1.3 本论文的主要工作和各章主要内容
• 第二章 基于F-P可调谐光滤波器法解调的光纤传感系统
• 2.1 光纤Bragg光栅的传感原理
• 2.1.1 光纤Bragg光栅的传感模型
• 2.1.2 波分复用技术在光纤Bragg光栅传感系统中的应用
• 2.2 光纤Bragg光栅的波长解调
• 2.2.1 F-P可调谐光滤波器法波长解调原理
• 2.3 基于F-P可调谐光滤波器法的嵌入式光纤传感解调系统
• 2.3.1 系统总体设计
• 2.3.2 FBG的封装
• 2.3.3 DSP芯片的定点运算
• 2.4 本章小结
• 第三章 嵌入式FBG解调模块的硬件设计
• 3.1 硬件的整体结构
• 3.2 DSP分析控制单元DSP主芯片-TMS320C5502
• 3.2.1 TMS320VC55x 系列DSP的特点与内部结构
• 3.2.2 TMS320VC5502 的寻址空间
• 3.2.3 片上外设资源
• 3.3 光功率采集单元
• 3.3.1 InGaAs光探测器
• 3.3.2 AD转换电路
• 3.3.3 采集电压放大电路
• 3.4 F-P可调谐光滤波器窗口驱动单元
• 3.4.1 F-P可调谐光滤波器
• 3.4.2 DA转换电路
• 3.4.3 驱动电压放大电路
• 3.5 供电单元
• 3.5.1 有源器件供电电路
• 3.5.2 参考电压供电电路
• 3.6 本章小结
• 第四章 DSP分析控制单元的软件设计
• 4.1 CCS开发软件简介
• 4.2 DSP分析控制单元的主体软件设计
• 4.2.1 McBSP简介及相应程序设计
• 4.2.2 F-P可调谐光滤波器驱动电压产生程序
• 4.2.3 波长解调算法
• 4.3 DSP控制分析单元辅助软件设计
• 4.4 上位机与下位机通信的软件设计
• 4.4.1 仿真环境下实现数据的实时交换
• 4.4.2 利用UART接口与上位机的通信
• 4.5 DSP引导程序设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统调试与传感解调实验
• 5.1 系统各模块调试
• 5.1.1 DA控制驱动电压与光路测试
• 5.1.2 外部存储器SDRAM
• 5.1.3 AD 采样
• 5.2 传感解调实验
• 5.2.1 光纤Bragg光栅参数的标定
• 5.2.2 动态应变传感实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文完成的主要工作
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢