基于STM32的便攜式光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)

李 冰，呂 敏，倪 亮

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210003）

基于STM32的便攜式光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)

李 冰，呂 敏，倪 亮

（南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210003）

該文提出了一種基于STM32單片機(jī)的便攜式光纖光柵解調(diào)儀設(shè)計(jì)方案，以STM32F103作為核心控制器，對光纖光柵中心反射波長的微小偏移進(jìn)行精確測量，并將之轉(zhuǎn)換為相應(yīng)物理量。STM32單片機(jī)使用TTL/CMOS與迪文DGUS觸摸屏進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對反射波形的顯示、波長計(jì)算及數(shù)據(jù)處理等，可方便地進(jìn)行光纖光柵傳感數(shù)據(jù)的測讀。

單片機(jī)STM32；光纖光柵；觸摸屏；解調(diào)儀

便攜式光纖光柵解調(diào)儀是用于對光纖光柵中心反射波長的微小偏移進(jìn)行精確測量，并將之轉(zhuǎn)換為相應(yīng)物理量的配套設(shè)備，是光纖光柵傳感系統(tǒng)不可缺少的組成部分。便攜式光纖光柵解調(diào)儀由于自帶工作電源，大屏幕數(shù)據(jù)直顯，無需計(jì)算機(jī)及上位機(jī)軟件配合，操作簡單，小巧輕便，被廣泛應(yīng)用于電力、水利、交通等特殊場合中溫度、應(yīng)力、應(yīng)變的監(jiān)測，是光纖光柵傳感系統(tǒng)中用于安裝調(diào)試、檢驗(yàn)測試、數(shù)據(jù)采集等不可或缺的設(shè)備。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

便攜式光纖光柵解調(diào)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器的波長解調(diào)，掃描速度1 Hz。儀表采用一體模塊化設(shè)計(jì)，集成了電源、激光光源、波長解算、數(shù)據(jù)計(jì)算處理等功能模塊，具有彩色液晶顯示，體積小巧，可隨身攜帶，可方便地進(jìn)行光纖光柵傳感數(shù)據(jù)的測讀。按照解調(diào)儀性能劃分，本系統(tǒng)具體可分為5個(gè)功能模塊，即光纖光柵波長信號(hào)的解調(diào)、外部通訊接口模塊、電源控制模塊、人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。

在硬件上，設(shè)計(jì)有電源變換模塊，用于產(chǎn)生光源模塊及F-P濾波器模塊工作所需的5 V、3.3 V直流電源；軟件設(shè)計(jì)基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與DGUS觸摸屏之間的通訊、與F-P濾波器通訊等功能，并利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的空閑任務(wù)對功耗進(jìn)行控制。便攜式光纖光柵解調(diào)儀總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 便攜式光纖光柵解調(diào)儀總體方案Fig.1 Overall scheme of portable fiber grating demodulator

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 外觀結(jié)構(gòu)

采用便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配備17.8 cm觸摸液晶屏。外殼是標(biāo)準(zhǔn)的小儀表箱，主要由下殼體和頂蓋組成，頂蓋可180°翻折，合上后密封外殼可為儀器提供堅(jiān)固防水防震保護(hù)，以滿足惡劣環(huán)境下的使用要求。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

便攜式光纖光柵解調(diào)儀由人機(jī)交互模塊、控制模塊、鋰電池和光學(xué)檢測系統(tǒng)（解調(diào)模塊，寬帶光源以及光分路器等）組成，便攜式光纖光柵解調(diào)儀系統(tǒng)外形及架構(gòu)如圖2所示。

圖2 便攜式光纖光柵解調(diào)儀系統(tǒng)外形及架構(gòu)Fig.2 Portable fiber grating demodulator system outline and architecture block diagram

2.2.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包括液晶觸摸屏和面板按鈕，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、儀器開關(guān)、設(shè)置儀器參數(shù)等功能。人機(jī)交互模塊通過RS232通訊接口連接控制模塊，其相應(yīng)的指令通過控制模塊下達(dá)給光學(xué)檢測系統(tǒng)。

2.2.2 控制模塊

控制模塊用于控制光學(xué)檢測系統(tǒng)，讀取檢測數(shù)據(jù)，分析處理檢測數(shù)據(jù)，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，與人機(jī)交互模塊進(jìn)行通訊等。該模塊接收來自人機(jī)交互模塊的指令，控制光學(xué)檢測系統(tǒng)工作，待測量完成后，讀取測量數(shù)據(jù)并傳輸給人機(jī)交互模塊。

2.2.3 光學(xué)檢測系統(tǒng)

光學(xué)檢測系統(tǒng)包括寬帶光源、OM3解調(diào)模塊和光分路器以及一些光學(xué)接口和光纖，是整個(gè)儀器的核心所在。當(dāng)接收測量指令后，寬帶光源產(chǎn)生光信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光纖光柵傳感器反射傳回解調(diào)模塊，解調(diào)模塊對波長信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將結(jié)果傳給控制模塊。

2.2.4 鋰電池

鋰電池用來提供儀器電源，儀器開啟后對人機(jī)交互模塊和控制模塊供電，對光學(xué)檢測系統(tǒng)的供電則由控制模塊控制。

2.3 處理器選擇及硬件電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過對功耗和性能的分析，確定采用STM32 F103ZGT6處理器。其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 （高達(dá)1024 KB的閃存和96 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)，供電電壓3.3 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求，達(dá)到了性能和功耗的平衡[1]。

便攜式光纖光柵解調(diào)儀系統(tǒng)MCU接線如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件及觸摸屏模塊設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

該解調(diào)儀嵌入式軟件運(yùn)行于Cortex-M3芯片的硬件環(huán)境中，由于軟件功能有限，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ就可以滿足軟件的需要，實(shí)現(xiàn)串口指令交互任務(wù)、觸摸屏指令交互任務(wù)、測量及存儲(chǔ)任務(wù)、上位機(jī)通信任務(wù)等功能。

軟件系統(tǒng)流程如圖4所示，任務(wù)流程如圖5所示。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的LCM通過時(shí)序或者指令控制顯示不同，DGUS屏采用直接變量驅(qū)動(dòng)顯示方式，所有的顯示和操作都是基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件進(jìn)行工作[2]。DGUS屏基于配置文件進(jìn)行工作，整個(gè)開發(fā)流程是通過PC軟件輔助設(shè)計(jì)完成變量配置文件的過程，具體如下：

圖3 便攜式光纖光柵解調(diào)儀MCU接線Fig.3 Portable fiber grating demodulator MCU wiring diagram

圖4 軟件流程Fig.4 Programming flow chart

圖5 任務(wù)流程Fig.5 Mission flow chart

步驟1變量規(guī)劃。基本遵循2個(gè)原則：數(shù)據(jù)變量盡可能地址連續(xù)，以便于讀/寫；參數(shù)描述變量和數(shù)據(jù)變量的地址要分開，并且不要交叉。

步驟2界面設(shè)計(jì)。利用PS（或者

其他繪圖軟件）進(jìn)行界面及界面相關(guān)元素（圖標(biāo)、字庫）設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，要選擇調(diào)色板系統(tǒng)為65K色，確保最終顯示效果和設(shè)計(jì)效果一致。

步驟3界面配置。利用迪文提供的工具軟件進(jìn)行界面配置，生成觸控配置文件和變量配置文件。

步驟4測試修改。把配置文件、圖片、字庫、圖標(biāo)庫等借助SD卡下載到DGUS屏，進(jìn)行界面測試和修改（步驟2，步驟3）。把串口連上用戶MCU系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)。

步驟5定版歸檔。定版后，把配置文件、圖片、字庫、圖標(biāo)庫等DGUS屏涉及的文件保存在一張SD卡上。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

打開電源開關(guān)，從觸摸屏上可見讀取到單個(gè)通道的光譜顯示，觸控相關(guān)按鈕可以進(jìn)行波形的放大和縮小、上下平移、左右平移。

光譜顯示界面如圖6所示，按鈕“Y+”和“Y-”分別對應(yīng)波形信號(hào)幅度的放大、縮小；按鈕 “X+”和“X-”分別對應(yīng)波形時(shí)間展寬和縮減；按鈕“左移”和“右移”分別對應(yīng)波形向左平移和向右平移。

圖6 光譜顯示界面Fig.6 Spectrogram display interface

根據(jù)傳感器校準(zhǔn)系數(shù)，將波長量轉(zhuǎn)換為溫度、位移、應(yīng)變等物理量，試驗(yàn)中將傳感器全部設(shè)置為溫度計(jì)，得到的測試溫度值如圖7所示。

5 結(jié)語

便攜式光纖光柵解調(diào)儀的設(shè)計(jì)，采用了STM32作為主控芯片，其內(nèi)部包含豐富的功能模塊，擁有標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口，無需外擴(kuò)芯片即可完成光纖光柵信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信[3]，使整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，滿足了便攜式設(shè)備的基本要求。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。隨著光纖光柵在電力、水利、交通等場合應(yīng)用的深入普遍，該解調(diào)儀有著很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場前景。

圖7 物理量測顯示界面Fig.7 Physical quantity measurement display interface

[1] 馬忠梅，徐琰，葉青林.ARM Cortex微控制器教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2] 黃波，周美嬌，周陽，等.基于DGUS軟件的無紙記錄儀人機(jī)界面開發(fā)[J].電子科技，2015，28（10）：108-110.

[3] 武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)[J].器件，2009，32（5）：946-949.

Design of Portable Fiber Grating Demodulator Based on STM32

LI Bing，LV Min，NI Liang

（NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 210003，China）

A design schemeofportablefibergratingdemodulatorbased on STM32 MCU isproposed.Ituses STM32F103 as the core controller to accurately measure the small offset of the reflection wavelength of the fiber grating，and converts it into a corresponding physical quantity.STM32 MCU uses TTL/CMOS to interact with Devin DGUS touch screen to achieve the reflection of the waveform display，wavelength calculation and data processing.It can be easily carried out fiber Bragg sensing data.

STM32 MCU；fiber Bragg grating；touch screen；demodulator

TP23

B

1001-9944（2017）08-0030-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.08.008

2017-03-01；

2017-05-11

李冰（1984—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗姀S自動(dòng)化；呂敏（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闇y量及控制；倪亮（1990—），男，碩士，助理研發(fā)工程師，研究方向?yàn)樗|(zhì)類傳感器。