[發明專利]基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法

在審

• 申請號: 201710397119.0
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN107300394A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 張衛方;李英武;任飛飛;張衛國;藍煜東;謝宇寬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：它包括以下步驟：

步驟一，搭建光纖光柵傳感器的結構健康監測硬件系統，確定硬件系統所使用的開發板、編程語言和處理器；

步驟二，設計硬件系統的電源模塊，為硬件系統的各個模塊提供輸入電壓；

步驟三，設計數字模擬轉換模塊即法布里-珀羅諧振腔驅動模塊；數字模擬轉換模塊將數字信號轉換成模擬信號，最終產生鋸齒波；

步驟四，設計光電轉換模塊；光電轉換模塊將光纖光柵傳感器的光信號轉換成電流信號，再利用對數放大器，將電流信號轉換成電壓信號；

步驟五，設計模擬數字采集模塊；光模擬數字采集模塊將光纖光柵傳感器的光信號轉換成電信號，然后進行電信號調理、濾波并實現數模轉換即AD轉換，將模擬信號轉化為數字信號；

步驟六，設計數據處理模塊；采用FPGA和ARM相結合的方法，完成數據的預處理、F-P腔驅動信號的產生和波長算法的實現功能；

通過以上步驟，實現了基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統，能夠對光纖光柵的波長信號進行解調，此外，硬件系統將各個功能封裝成模塊，簡化了系統的設計工作，各模塊之間能單獨調試運行，便于降低系統復雜度，使系統升級、調試和維護等操作簡單化。

2.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟一中所述的搭建光纖光柵傳感器的結構健康監測硬件系統是指使用型號為XC7Z020-1CLG484I的集成開發板Miz702，該集成開發板采用FPGA和ARM處理器相結合的平臺，并采用版本為“Vivado 2015.4”的開發軟件進行硬件系統的開發。

3.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟二中所述的設計硬件系統的電源模塊是指提供5伏、12伏、-12伏和33伏電壓，其中系統的輸入電壓為24伏；

采用TPS5430芯片將24伏輸入電壓降壓到14伏，然后利用LT1763芯片將14伏電壓穩壓到12伏，然后再將14V電壓降低到6.5伏，用LT1763-5芯片將6.5伏電壓穩壓到5伏；對于-12伏電路的獲取，采用MAX766反相開關穩壓器將上述得到的6.5伏電壓轉換為-15伏，然后利用負電壓、低功率穩壓器LT1964-1將電壓穩定到-12伏；最后利用反相開關穩壓器MC33063將得到的6.5伏電壓升壓到36伏，然后用差線性穩壓器LT3010將電壓穩定到33伏。

4.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟三中所述的設計數字模擬轉換模塊即法布里-珀羅諧振腔驅動模塊是指采用電壓穩壓芯片REF5025來提供基準電壓，配合使用型號為DAC8830的數模轉換芯片進行數字模擬轉換。

5.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟四中所述的設計光電轉換模塊是指利用InGaAs型PIN二極管將光纖光柵傳感器的光信號轉換成電流信號，再利用對數放大器AD8304將電流信號轉換成電壓信號。

6.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟五中所述的設計模擬數字采集模塊是指采用型號為AD9244的高速AD采集芯片進行數據采集，采樣頻率為5MHz。

7.根據權利要求1所述的一種基于FPGA與ARM的光纖光柵傳感器硬件解調系統的實現方法，其特征在于：

在步驟六中所述的設計數據處理模塊是指采用FPGA和ARM相結合的方法，FPGA高速實時采集光纖光柵傳感器的信號，進行二階滯后濾波后實時尋找峰值位置，然后將峰值位置信息通過內部AXI總線協議傳輸到ARM端，實現光纖光柵波長的解調；解調后的光纖光柵波長信息在ARM端進行打包，通過網絡通信協議即TCP/IP協議發送到計算機端處理。