多通道光纖加速度測試分析系統的研究

段曉君，韓 焱

(中北大學，山西 太原030051)

0 引言

振動的研究和測試是現代工業發展的一項基礎，在科學技術、國民經濟和國防領域有著廣泛的應用。隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，采用MEMS技術制作微型傳感器是技術的發展趨勢，但目前僅限于電檢測方式的MEMS傳感器。系統采用MEMS技術集成制作包含彈性梁或軸、敏感質量塊和微反射鏡的MEMS光纖振動敏感芯片，MEMS振動敏感芯片直接與光纖耦合構成MEMS光纖振動傳感器，適合批量生產、成本低、裝配簡單，具有巨大的技術優勢。

目前，信號解調是光纖光柵傳感技術和光纖微機電傳感技術產業化所面臨的難題之一，其核心問題在于發展低成本、大容量、高精度的信號解調的傳感分析儀，從而在充分發揮光纖傳感器在信號傳輸距離遠、信息容量大、成本低的優勢，使光纖傳感器在性能與價格比上比傳統的機電傳感器更具有競爭力。

1 基本原理

1.1 MEMS光纖加速度傳感器的技術原理

MEMS光纖加速度傳感器主要由雙光纖準直器和MEMS振動敏感芯片構成。其中MEMS振動敏感芯片由懸臂梁或者扭轉梁支撐的敏感質量塊上鍍上一層光學反射膜形成。該結構中光路為入射光纖中傳播的光從單模光纖纖芯出射后，依次經過準直器準直，微鏡反射，再經過微透鏡聚焦，聚焦后的光斑與出射光纖纖芯耦合。

1.2 分組同步式光纖傳感分析儀的技術原理

本文通過采用光開關和多組光同步分路器、分組切換電子開關和多通道同步數據采集器的組合，可實現大容量測量通道數擴展，同時可對其中任意一組測量通道進行同步實時測量，兼顧了容量擴展與測量實時性的要求，可適用于波長調制、強度調制等多種類型光纖傳感器的大容量、分組實時信號解調。

分組同步式大容量光纖傳感分析儀主要包括光源，1×24光開關，1×18光纖耦合器，光強參考模塊，432通道光電探測放大器，432選18分組切換電子開關，18通道同步數據采集器和嵌入式處理器。

光源發射出的光信號經1×24光開關依次切換到24個1×18光纖耦合器，每個1×18光纖耦合器均與光強參考模塊和一組光纖傳感器(17個通道，每個通道可接入一只光纖傳感器)相連接，由光纖傳感器將各自入射光轉換成代表加速度輸出的反射光并經光纖返回到光電探測放大器，光電探測放大器將光纖傳感器和光強參考模塊各自輸出的光信號轉換為易于采集的標準電壓信號(該電壓輸出信號在光電探測放大器內部采用射極跟隨器方式驅動后輸出，電壓幅值受分組切換電子開關每次切換導通阻抗波動的影響極小，從而保證了光纖傳感分析儀各測量通道具有良好的測量重復性)，通過432選18分組切換電子開關將當前時刻432路光電探測放大器中有效的17路傳感信號和1路參考信號接入到18通道同步數據采集器完成A/D轉換，最后通過嵌入式處理器計算分析，獲得與傳感信號準確對應的被測物理量的數值。光強參考模塊通常為用于光纖傳輸線路損耗補償的等效傳感器，其作用是實時監測光源波動和線路損耗的變化量，從而補償光源波動和線路損耗對傳感信號的影響。嵌入式處理器可通過10/100 M以太網、RS232、RS422、USB等標準通信接口實現與計算機或其他網絡處理器之間的數據通信。整體框架圖如圖1。

可以根據監測系統中所需要使用的光纖傳感器的類型和數量，靈活配置每組同步測量通道的數量以及光纖傳感分析儀測量通道的總數量，并在單臺分析儀上實現對光纖光柵傳感器、光纖微機電傳感器等多種類型光纖傳感器的信號解調，也可通過選配多組不同速率的同步數據采集器實現對各光纖傳感器的可變速率信號解調。

圖1 嵌入式處理器通過通信接口與處理器進行數據通信框架圖

1.3 多通道分組同步式光纖傳感分析儀的關鍵技術

采用FPGA控制多片高速高精度A/D轉換芯片同步工作，單塊同步數據采集模塊實現對18路光電轉換信號的100 Ksps同步采集，A/D轉換精度達到16 bit精度;采用多片DSP無縫連接陣列作為光纖傳感分析儀的數據處理核心，可提供每秒鐘6000MFLOPS運算能力，對18路光纖加速度傳感信號進行實時在線振動譜分析處理及24×18路光纖加速度傳感信號的分組同步振動譜分析處理。

由嵌入式處理器直接對每組18路光纖加速度傳感信號進行頻域和時域分析變換，從而在線監測評估地質環境或機械設備的安全狀態。避免了由上位計算機做光譜計算分析時對上位計算機硬件平臺的苛刻要求及CPU長時間占用率過高導致的穩定性隱患，并減小了加速度采集分析系統的體積和功耗，適應了野外電池供電場合的長時間工作要求。

2 系統設計

2.1 光纖傳感分析儀多通道同步數據采集器設計

光纖傳感分析儀內部的同步數據采集器采用三片美國模擬器件公司(ADI)的AD7656芯片對光電轉換后的模擬信號進行同步采集。

AD7656芯片基于ICMOS工藝制造，是高集成度、6通道16 bit逐次逼近(SAR)型ADC，內含1個2.5 V基準電壓源和基準緩沖器。該器件的功耗比最接近的同類雙極型ADC降低了60%。AD7656在每通道250 kS/s采樣速率下的精度(±4 LSB最大值積分線性誤差)是同類產品的2倍?？梢詽M足工業領域對高分辨率、多通道、高轉換速率和低功耗的要求。多通道同步數據采集器硬件設計原理框圖如圖2。

圖2 多通道同步數據采集器硬件設計原理框圖

采用Altera公司Cylone系列的FPGA芯片EP1C20對三片AD7656進行存取控制和參數設定。AD7656采集后的數據以并行格式由EP1C20按照軟件設定的速率進行讀取，讀取的數據EP1C20首先在內部的FIFO中緩存，當FIFO中的數據達到設置要求的存量時，EP1C20內部寄存器的FIFO數據有效標志被置位，同時產生中斷請求，通知光纖傳感分析儀內部的嵌入式處理器讀取數據并完成后續處理。FPGA可編程邏輯設計原理框圖如圖3。

圖3 FPGA可編程邏輯設計原理框圖

2.2 光纖傳感分析儀嵌入式處理器設計

ADI公司和TI公司是DSP芯片的全球兩大主要供貨商，其芯片也代表了DSP領域的最高技術。TI公司的TMS系列處理器主要基于VLIW(超長指令字)結構，而ADI公司的SHARC系列DSP在結構設計時更強調系統的平衡性，對于同一檔次的處理器，SHARC處理器明顯比TMS320處理器具有更強的功能。綜合性能、成本、停產風險等多方面考慮，特別是由于ADSP SHARC系列處理器提供了片間無縫連接的能力，使得在多DSP處理器系統中的外圍控制邏輯變得十分簡單，因此，本項目中選用2片ADI公司的高性能ADSPTS201芯片作為光纖傳感分析儀的嵌入式處理器核心，TS201有4個全雙工的鏈路口。每個鏈路口包含收發各4位數據線，LVDS電平，信號速率為DCR(Double Clock Rate)500 MHz，因此可實現雙向1 000 Mbytes/s的數據吞吐量。這4個鏈路口可用于TS201之間的互連，也可用于TS201與外部設備之間的高速數據交換。

圖4 TS2014個鏈路示意圖

系統中，由兩片ADSP-TS201芯片構成的嵌入式處理器最大運算能力達到6000MFLOPS，外部接口通信能力高達5 000 MB/s，完全滿足光纖傳感分析儀對18～408只MEMS光纖振動加速度的實時數據采集和振動譜在線分析(如圖5所示)。

圖5 分組同步式光纖傳感分析儀嵌入式處理器原理框圖

3 軟件需求分析和代碼編寫實現

與行業用戶密切合作，針對不同應用領域的不同需求，編寫具有不同功能的振動譜頻域變換分析模塊、時序統計分析模塊及組態軟件顯示插件，使客戶能夠以直觀的電子地圖方式，查看當前被監測設備或環境的振動狀態。

4 結論

它是一項將21世紀先進的微米/納米尺度MEMS(微機電系統)敏感芯片設計制造技術與光纖檢測技術相結合的新型光纖加速度檢測技術，具有全光測量和信號傳輸、高靈敏度、寬頻帶、體積小、可批量生產、一致性好、成本低等特點，適合在高溫高寒、強電磁干擾等惡劣環境下穩定工作，解決了傳統光纖傳感器向微型化和批量生產時遇到的裝配困難及光纖傳感器難以實現大容量高速同步采集的問題。

［1］Hu Y，Chen S，Zhang L，et al.Multiplexing Bragg Grat-ing Using Combined Wavelength and Optical Division Techniques with Digital Resolution Enhancement［J］.E-lectronic Letters，1997，33(23):1973 －1975.