第２７卷第６期增刊
２００６年６月
仪器仪表学报
Ｃ½½½½½½ Ｊ½½½½½½ ½½ Ｓ½½½½½½½½½ Ｉ½½½½½½½½½
Ｖ０１．２７ ＮＯ．６
Ｊ½½½．２００６
基于单片机实现ＦＢＧ传感器的数据采集
沈卫½
肖立志
张元中
付建伟
（中½石油大学北京１０２２４９）
摘要介绍了基于单片机实现光纤Ｂ½½½½光栅（½½½½½
Ｂ½½½½
½½½½½½½，ＦＢＧ）传感器的数据采集系统的实现原理、硬件结构和
½件设计。为了实现对ＦＢＧ传感器的数据采集，采用美½Ｓ½½½½½½
Ｌ½½½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½腔法
数据采集
单片机
Ｄ½½½
½½½½½½½½½½½
½½½½½½
½½½½½½
½½½ ＦＢＧ
½½½½½½
½½½½½
½½
½½½½½½ ½½½½
Ｓ½½½
Ｗ½½½½½
Ｘ½½½ Ｌ½½½½
Ｚ½½½½ Ｙ½½½½½½½½
Ｆ½ Ｊ½½½½½½
（Ｃ½½½½ Ｕ½½½½½½½½½
½½ Ｐ½½½½½½½½，Ｂ½½½½½½
１０２２４９，Ｃ½½½½）
Ａ½½½½½½½
Ａ ½½½½ ½½½½½½½½½½½
½½½½½½ ½½½
ＦＢＧ
½½½½½½½½½
½½½½½½
½½½½½
½½
½½½½½½
½½½½ ½½
½½½½½½½½½
½½
½½½ ½½½½½，½½½½½
½½½½½½½½½，
½Ｏ
½½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½．Ｓ½½½½½ ½½½½
Ｃ８０５ １ Ｆ０２０
½½½½½½½
½½½½½½½
½½½
½½½½
½½½½½½½½½½½
½½½
ＦＢＧ
½½½½½½，½½½½½
½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½½
½½ ½½½½½½½ ½½½½½½，½½½
½½½½ ½½
½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½．Ｔ½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½ ½½½½ ½½½½ ½½½ ½½½½½½
½½½½
½½
½
½½½
½½½½½½½
½½½
½½½½½½½ Ｏ½ ½½½½－½½½½ ½½½½
½½½½½½½½½½½ ½½½
１½½½½½ ½００１．
ＦＢＧ
½½½½½½
Ｋ½½ ½½½½½
½½½½½½½
ＦＰＥ ½½½½ ½½½½½½½½½½½ ½½½½½½
½½½½
发适合于油井下的便携式解调系统，是实现油气井温
１
引
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
行½业的时候，由于监测测量时间间隔过大，不½保证
测量时间就是诊断生产问题和油气藏变化的最½时
机，经常无法准确描述油气藏的动态变化特征，而且½
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½的滞后也造
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½½。
光纤Ｂ½½½½光栅传感器具有性½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
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
术手段。采用单片机设计的系统主要有以下几个部
分：光纤Ｂ½½½½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。
２
光纤Ｂ½½½½光栅传感器波长解调方法
光纤Ｂ½½½½光栅是一种性½优良的反射滤波无源
敏感元件，通过反射Ｂ½½½½波长的½移来感应外界温
度或压力的变化。½光入射到Ｂ½½½½光栅的时候，符
合Ｂ½½½½条件的一部分½量被反射回来，由于入射光
的透射光谱和反射光谱在某一波长处½发生奇异性，
反射光的中心波长被称½Ｂ½½½½波长，根据光的耦合
方程得到Ｂ½½½½相½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
（１）
１２３
½＝２½。。“Ａ
式中：½½½Ｈ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Ｂ½½½½光栅传感的基本原理如
图１所示。
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
入射誊
反射光
垄型
透射光
集，它½用单片机对光纤Ｂ½½½½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
图１
反射光
光纤Ｂ½½½½光栅传感器的透射原理
½外界温度或压力变化的时候，将引起光纤
Ｂ½½½½光栅的周期或折射率的变化，从而导致反射
Ｂ½½½½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Ｂ½½½½波长½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½腔法是一种常用的方法，其实
验原理如图２所示。
图３数据采集框图
３．１单片机的数据采集
本文½用的单片机是美½Ｓ½½½½½½
Ｌ½½½公司生产
的Ｃ８０５１½０２０，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１２½ＤＡＣ通道、９通道输入多
路选择开关１２½（８½）ＡＤＣ和可编程增益放大器，最
高½换速度为１００½½½，两个ＵＡＲＴ串行接口，５个通
用的１６½定时器和温度传感器。
在该系统中，没有外围Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ½换芯片，直
接½用该芯片的Ａ／Ｄ½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。
（½）
３．２单片机的异步通讯
在本实验中，½用的是一个具有帧错误检测和地
图２
ＦＢＧ反射波长原理图和可调谐Ｆ—Ｐ腔结构图
址识别硬件的增强型串行口ＵＡＲＴ０，该ＵＡＲＴ０可以
工½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。ＵＡＲＴ½提供了４种工½方式，在本
文中½用的是方式１，数据从ＴＸ０引脚发送，在ＲＸ½
引脚接收；接收时，８个数据½存入ＳＢＵＦ０，停止½进
入ＲＢ８０。
½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Ｔ１０½½。
接收允许½ＲＥＮ０½１时开始数据接收。收到停止½
后，½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½必须为１。
ＵＡＲＴ０的波特率是由定时器２产生的，每½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）
从½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½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，½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½探测到最大光强，此时给压电陶瓷½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。
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：
ＲＣＡＰ２Ｌ½。
实验中采集数据为１２½，芯片的½换速率最高达
到１００½½½。由于压电陶瓷的迟滞性，½Ｄ／Ａ½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
４½件系统的设计
在本实验中，检测的是温度波长。½向ＡＤＣ½ＣＮ
的ＡＤＯＩＮＴ½写‘０’、ＡＤＯＢＵＳＹ½写‘１’时，启动½
换，½换结束后ＡＤＯＢＵＳＹ清‘０’，查询等待ＡＤＯＩＮＴ
是否变‘１’，½换的数据保存在ＡＤＣ的数据字的ＭＳＢ
和ＬＳＢ寄存器：ＡＤ½½Ｈ：ＡＤＣＯＬ，½换数据在寄存器
中的保存方式是右对½，前４½补零。Ａ／Ｄ½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。
１１．０５９２ＭＨ½，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
２Ｆ½，Ａ／Ｄ½换需要３个
时钟（３½６½½½），因此½Ｄ／Ａ扫描时间为２½½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Ｂ½½½½光栅传感器对温度、压力和应力
的灵敏度很小，½Ｂ½½½½波长为１５５０½½时，典型的温
度和应变灵敏度分别为０．０１１½½／℃和０．００１２½½／／½￡。
几
１
２
３
４ ５
６
７ ８
９１０１１１２１３１４１５１６１７１８１９
为了达到１／℃和１０／－￡的测量精度，对中心波长移½的
测量精度应优于０．００１½½的量级。为了提高测量精
ＳＡＲ时钟［二：二卫½几½九几几½几½½½几½几几½几½
ＡＤＣＯＴＭ＝Ｉ
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。
ＳＡＲ时钟［：卫九八九几½½八½八八八九八九几
ＡＤＣＯＴＭ＝０
Ａ：½功耗
Ｂ：跟踪
½：½换
图４
Ａ／Ｄ½换的时序图
５
结束语
本文利用Ｃ８０５１Ｆ０２０实现了ＦＢＧ温度传感器阵列
开始
初始化时钟
初始化Ｔ½½½½½和ＩＯ口
初始化ＡＤＣ０和ＤＡＣＯ
初始化ＵＡＲＴＯ
清ＴＩＯ
启动ＤＡ½换
启动Ｔ½½½½½
实验系统的数据采集及其传输。由于该系统结构简单、
中断服务程序
½积小、功耗½，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½件的重新开发。
参考文献
［１３
Ｈ½½½ Ｋ
Ｏ，Ｆ½½½½
Ｙ，Ｊ½½½½½½
Ｄ Ｃ，½½
½１．Ｐ½½½½－
启动Ａ／Ｄ½换
否
Ａ／Ｄ
½换结束
读取ＡＤＣＯ
工
工
延时
处理数据
½½½½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½ ½½½½½
½½½½½½½½½½［－Ｊ½．Ａ½½½．Ｐ½½½．
Ｌ½½½．，１９７８，３２（１５）：６４７—６４９．
定时器½益出
［２½Ｄ½½½½
Ｅ Ｌ．Ｔ½½
’½½½½½½½½½½½½ ½½½
（６）：６４０－６４８．
½½½½
½½½½ ½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½：½½½
Ｌ½½½½½½ Ｅ½½½，２００１，２０
½½½½½［Ｊ½．Ｔ½½
返回½
［３½方福波．基于单片机的光纤Ｂ½½½½光栅传感器的解调
系统［Ｊ½．光精密工程，．２００２，１０（４）．
［４½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［Ｊ½．地球物理学进展，２００４，１９（３）：
５１５—５２３．
写数据到ＢＵＦＦＯ
否
；鬻岁
心！！三■／
½胡
丫
［５３贾宏志．光纤Ｂ½½½½光栅传感器理论和技术研究．西
安：中½科学院西安光学精密机械研究所２０００，８．
Ｅ６½½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［Ｊ½．中½激光，２０００，２７（１２）：
】】０３一】】０６．
图５
主程序框图和中断处理程序框图
万
方数据
基于单片机实现FBG传感器的数据采集
½者：
½者单½：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：
沈卫½， 肖立志， 张元中， 付建伟， Shen Weiguo， Xiao Lizhi， Zhang Yuanzhong
，
Fu Jianwei
中½石油大学,北京,102249
仪器仪表学报
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2006,27(z1)
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