首页资源分类嵌入式处理器Freescale > 基于单片机实现FBG传感器的数据采集

基于单片机实现FBG传感器的数据采集

已有 445125个资源

下载专区

文档信息举报收藏

标    签:单片机FBG传感器

分    享:

文档简介

基于单片机实现FBG传感器的数据采集

文档预览

第27卷第6期增刊 2006年6月 仪器仪表学报 Chinese Journal of Scientific Instrument V01.27 NO.6 June.2006 基于单片机实现FBG传感器的数据采集 沈卫国 肖立志 张元中 付建伟 (中国石油大学北京102249) 摘要介绍了基于单片机实现光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器的数据采集系统的实现原理、硬件结构和 软件设计。为了实现对FBG传感器的数据采集,采用美国Silicon Labs公司生产的C8051F020单片机对经过可调谐F-P腔 解调后的波长进行采集,对得到的数据进行分析处理。实验结果表明该系统可满足井下实时采集的要求,为井下实时采集系 统提供可靠的现场测试工具。 关键词 FBG传感器 可调谐法布里一珀罗腔法 数据采集 单片机 Data acquisition system design for FBG sensor based on single chip Shen Weiguo Xiao Lizhi Zhang Yuanzhong Fu Jianwei (China University of Petroleum,Beijing 102249,China) Abstract A data acquisition system for FBG sensor based on single chip is presented in the paper,where principle, hardware structure and software are respectively introduced.Single chip C805 1 F020 applies tO realize the data acquisition for FBG sensor,which acquires wavelength demodulated by tunable filter,and data is analyzed and processed.The experiment results show that the system can satisfy the demands Of real-time data acquisition and will be a 1iable t001. Key words 1引 FBG sensor tunable FPE data acquisition single chip 发适合于油井下的便携式解调系统,是实现油气井温 言 度压力永久性实时监测的核心技术之一。随着单片机 技术的发展,单片机实现波长解调成为一种可行的技 以生产测井和测试为主的油气藏动态监测技术进 术手段。采用单片机设计的系统主要有以下几个部 行作业的时候,由于监测测量时间间隔过大,不能保证 测量时间就是诊断生产问题和油气藏变化的最佳时 机,经常无法准确描述油气藏的动态变化特征,而且作 分:光纤Bragg光栅传感器波长解调方法、单片机的数 据采集、串行传输及数据的处理。 业成本高,常常引起生产停顿;此外测井和测试数据需 人工收集并带回处理,数据处理、解释工作的滞后也造 2 光纤Bragg光栅传感器波长解调方法 成了决策的延迟;尤其海上及偏远油气翻等恶劣的自 然条件给数据获取带来诸多不便n]。 光纤Bragg光栅传感器具有性能可靠、抗电磁干 扰、测量精度高、便于安装、复用性强等优点,可以长期 光纤Bragg光栅是一种性能优良的反射滤波无源 敏感元件,通过反射Bragg波长的位移来感应外界温 度或压力的变化。当光入射到Bragg光栅的时候,符 合Bragg条件的一部分能量被反射回来,由于入射光 应用在油气井等高温高压环境中,实现对一线多点或 空间分布的连续监测。数据采集系统把数据采集及其 数据传输集予一身,实现对外界环境物理量的解调,开 的透射光谱和反射光谱在某一波长处能发生奇异性, 反射光的中心波长被称作Bragg波长,根据光的耦合 方程得到Bragg相位匹配条件:  万方数据 第6期增刊 基于单片机实现FBG传感器的数据采集 123 k=2n。。“A (1) 式中:nneH是光纤纤芯的有效折射率,A是光纤光栅 的栅距即周期。光纤Bragg光栅传感的基本原理如 图1所示。 入射誊 垄型 透射光 反射光 3数据采集系统的硬件设计 数据采集系统实现了对一个通道(即温度)的采 集,它使用单片机对光纤Bragg光栅传感器直接进行 采集,通过串口通讯把数据传送到PC机上,然后对数 据进行处理,得到温度信息。这个过程的系统框图如 图3所示。 入射光透射光 反射光 图1 光纤Bragg光栅传感器的透射原理 当外界温度或压力变化的时候,将引起光纤 Bragg光栅的周期或折射率的变化,从而导致反射 Bragg波长变化,这个过程就是光栅传感过程。解调 是一个与传感相反的过程,通过检测Bragg波长位移 量的.变化来计算外界参数的变化。在众多解调方法 中,可调谐法布里一珀罗腔法是一种常用的方法,其实 验原理如图2所示。 (b) 图2 FBG反射波长原理图和可调谐F—P腔结构图 从宽带光源发出的光经隔离器传送到FBG传感 器,经过FBG传感器反射回的光经过一个耦合器引入 到可调谐F—P腔中。构成F—P腔的两个高反射镜中的 一个固定,另一个可移动且背面贴有一个压电陶瓷 (PZT)片。给压电陶瓷片施加一个扫描电压,压电陶 瓷片产生伸缩,从而改变F-P腔的腔长,使透过F-P腔 的光的波长发生改变。从F-P腔透射光经透镜汇聚到 探测器上,若F-P腔的透射波长与FBG的反射波长重 合,则探测器能探测到最大光强,此时给压电陶瓷施加 的电压V就代表FBG的反射波长。由实验建立驱动 电压、反射波长和温度之间的关系,实现波长信号的 解调。 图3数据采集框图 3.1单片机的数据采集 本文使用的单片机是美国Silicon Labs公司生产 的C8051f020,它是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片,高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (最大速率可达到25MIPS),全速、非侵入式的在系统 调试接口(片内),两个12位DAC通道、9通道输入多 路选择开关12位(8位)ADC和可编程增益放大器,最 高转换速度为100kps,两个UART串行接口,5个通 用的16位定时器和温度传感器。 在该系统中,没有外围A/D和D/A转换芯片,直 接使用该芯片的A/D转换,节省了开发电路,采集的 数据直接通过串行通讯口传送到计算机上处理。 3.2单片机的异步通讯 在本实验中,使用的是一个具有帧错误检测和地 址识别硬件的增强型串行口UART0,该UART0可以 工作在全双工异步方式或半双工同步方式,而且还支 持多处理器通讯。UARTo提供了4种工作方式,在本 文中使用的是方式1,数据从TX0引脚发送,在RXo 引脚接收;接收时,8个数据位存入SBUF0,停止位进 入RB80。 当执行一条向SBUF0寄存器写入一个字节的指 令时开始发送数据,在发送结束时中断标志T10置位。 接收允许位REN0置1时开始数据接收。收到停止位 后,当满足下述条件时,数据字节将被装入寄存器 SBUFO:R10—0且SM20=1,则停止位必须为1。 UART0的波特率是由定时器2产生的,每当定时 器2溢出时向波特率电路发送一个时钟脉冲。 波特率一SYSCLK/32*(65536-RCAP2) (2)  万方数据 124 仪器仪表学报 第27卷 RCAP2是定时器2的捕捉寄存器[RCAP2H: RCAP2L]。 4软件系统的设计 在本实验中,检测的是温度波长。当向ADCoCN 的ADOINT位写‘0’、ADOBUSY位写‘1’时,启动转 换,转换结束后ADOBUSY清‘0’,查询等待ADOINT 是否变‘1’,转换的数据保存在ADC的数据字的MSB 和LSB寄存器:ADcoH:ADCOL,转换数据在寄存器 中的保存方式是右对齐,前4位补零。A/D转换的时 序如图4所示,数据采集及其传输的流程图如图5 所示。 几 1 2 3 4 5 6 7 8 910111213141516171819 SAR时钟[二:二卫n几n九几几n几nnn几n几几n几n ADCOTM=I SAR时钟[:卫九八九几nn八n八八八九八九几 ADCOTM=0 A:低功耗 B:跟踪 c:转换 图4 A/D转换的时序图 开始 初始化时钟 初始化Timerl和IO口 初始化ADC0和DACO 初始化UARTO 启动DA转换 启动A/D转换 否 A/D 转换结束 读取ADCO ;鬻岁 写数据到BUFFO 否 心!!三■/ n胡丫 中断服务程序 清TIO 启动Timerl 工延时 工定时器i益出 处理数据 返回l 图5 主程序框图和中断处理程序框图 实验中采集数据为12位,芯片的转换速率最高达 到100kps。由于压电陶瓷的迟滞性,当D/A转换电压 加到压电陶瓷上时,需等待压电陶瓷稳定,然后对光纤 采集50个点,并求平均(消除噪声),在下一次采集数 据之前把该数据发送出去。系统时钟频率为 11.0592MHz,对于CIP_51内核,大部分指令的执行时 间为1或2个系统时钟,即1 2Fs,A/D转换需要3个 时钟(3~6bts),因此当D/A扫描时间为2ms时,可以 保证数据采集和传送所需时间。如果对系统的实时性 有更严格的要求,可以根据需要采用更大的系统频率, 达到更加严格的实时性。 由于光纤Bragg光栅传感器对温度、压力和应力 的灵敏度很小,当Bragg波长为1550nm时,典型的温 度和应变灵敏度分别为0.011nm/℃和0.0012nm//z£。 为了达到1/℃和10/-£的测量精度,对中心波长移位的 测量精度应优于0.001nm的量级。为了提高测量精 度,应该提高扫描电压的分辨率和选择合适的光谱分 析方法,而且对数据进行处理时,在单片机内部实现波 长的计算,微机接收的数据仅为波长数据,这将减少数 据的传输量,提高系统的可靠性。 5 结束语 本文利用C8051F020实现了FBG温度传感器阵列 实验系统的数据采集及其传输。由于该系统结构简单、 体积小、功耗低,支持在线编程和在线调试,可以在数据 采集终端硬件基础上进行软件的重新开发。 参考文献 [13 Hill K O,Fujii Y,Johnson D C,et a1.Photo- sensitivity in optical fiber waveguides[-J].Appl.Phys. Lett.,1978,32(15):647—649. [2]David E L.The next wave in reservoir monitoring:the ’instrumented oil field[J].The Leading Edge,2001,20 (6):640-648. [3]方福波.基于单片机的光纤Bragg光栅传感器的解调 系统[J].光精密工程,.2002,10(4). [4]付建伟,肖立志,张元中.油气井永久性光纤传感器的 应用及其进展[J].地球物理学进展,2004,19(3): 515—523. [53贾宏志.光纤Bragg光栅传感器理论和技术研究.西 安:中国科学院西安光学精密机械研究所2000,8. E6]余有龙,谭华耀,锺永康.基于可调一滤波器的光纤光栅 传感器阵列查询技术[J].中国激光,2000,27(12): 】】03一】】06.  万方数据 基于单片机实现FBG传感器的数据采集 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 沈卫国, 肖立志, 张元中, 付建伟, Shen Weiguo, Xiao Lizhi, Zhang Yuanzhong , Fu Jianwei 中国石油大学,北京,102249 仪器仪表学报 CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 2006,27(z1) 5次 参考文献(6条) 1.Hill K O;Fujii Y;Johnson D C Photosensitivity in optical fiber waveguides[外文期刊] 1978(15) 2.David E L The next wave in reservoir monitoring:the instrumented oil field 2001(06) 3.方福波 基于单片机的光纤Bragg光栅传感器的解调系统[期刊论文]-光学精密工程 2002(04) 4.付建伟;肖立志;张元中 油气井永久性光纤传感器的应用及其进展[期刊论文]-地球物理学进展 2004(03) 5.贾宏志 光纤Bragg光栅传感器理论和技术研究 2000 6.余有龙;谭华耀;锺永康 基于可调-滤波器的光纤光栅传感器阵列查询技术[期刊论文]-中国激光 2000(12) 引证文献(5条) 1.赵溪林.程航.刘涛.郭奉凯 FBG光纤传感器的同步探测技术[期刊论文]-光电技术应用 2010(1) 2.王晓东.王真之.叶庆卫.周宇 光纤光栅传感系统数据采集与处理技术[期刊论文]-仪表技术与传感器 2008(5) 3.严伟.屈百达.徐保国.张善理 超声波生物处理技术中多路体积分数检测器的设计[期刊论文]-传感器与微系统 2011(5) 4.崔海朋 基于MSP430单片机的光纤光栅传感器匹配解调系统[期刊论文]-北京联合大学学报(自然科学版) 2009(1) 5.童峥嵘.万同利.杨秀峰.曹晔 基于AMPCI9101A的光纤光栅复用传感系统研究[期刊论文]-传感技术学报 2011(5) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yqyb2006z1048.aspx

Top_arrow
回到顶部
EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。