基于C8051F410单片机的光纤光栅解调仪_王哲

收稿日期:2008208230作者简介:王哲(1961-),男,技术总监。

主要研究方向:光纤传感系统,微电子应用技术。

E 2mail :wangzhebj @文章编号:100224026(2008)0620068204基于C8051F410单片机的光纤光栅解调仪王哲1,魏玉宾2,李淑娟2,李艳芳2(1.山东微感光电子有限公司,山东济南250014;2.山东省科学院激光研究所,山东济南250014)摘要:设计了一种基于C8051F410单片机的新型光纤光栅解调仪,利用DF B 激光器波长可调的特性实现对一定波长范围光纤光栅传感器的解调,温度精度可以达到0.5℃以内。

解决了长期必须采用光谱分析原理等手段才能实现波长检测的问题,同时提供一种简单、实用、低成本的方案,既可以作为试验测试设备,又可以配备到具体的产品中。

关键词:光纤传感器;单片机;DF B 光源;C8051F410中图分类号:TP216 文献标识码:AA Single 2Chip Machine C8051F410B ased Fiber Bragg G rating DemodulatorW ANG Zhe 1,WEI Y u 2bu 2,LI Shu 2juan 2,LI Y an 2fang 2(1.Shandong Micro 2senser Photonics Limited ,Jinan 250014,China ;2.Institute o f Laser ,Shandong Academy o f Sciences ,Jinan 250014,China )Abstract :We devise a new single 2chip machine (SC M )C8051F410based fiber Bragg grating (F BG )dem odulator ,and em ploy the characteristic of adjustable wavelength of the laser DF B to realize thedem odulation of a F BG sens or within certain wavelength range.Its tem perature accuracy is 0.5℃.Wes olve the problem that wavelength detection must be im plemented by the approach of spectral analysis ,and present a sim ple ,practicable and low 2cost s olution ,in which the m odulator can not only be served asan experimental test equipment but als o be integrated into a specific product.K ey w ords :optical fiber sens or ;SC M ;DF B s ource ;C8051F410图1　驱动电流与波长关系曲线 随着光纤光栅传感器的广泛应用,对解调光纤光栅传感器[1]的解调器的需求也随之增加。

现有的大多数光纤解调设备主要用于实验室的科研仪器,价格昂贵,不适用于装配现场设备或单个产品。

本文介绍的是利用新华龙C8051F410单片机实现的一种简单、实用的光纤光栅解调仪。

1　光纤光栅解调仪的解调原理DF B 激光器具有一种特性,其驱动电流与发出的激光信号的波长有一定的比例关系,关第21卷　第6期2008年12月山东科学SH ANDONG SCIE NCE V ol.21　N o.6Dec.2008系曲线如图1所示。

本光纤光栅解调仪就是利用DF B 激光器[1-3]的这种特性,通过控制光源的电流,在一定范围内产生规定波长的激光信号,将此信号送给光纤光栅传感器,然后再通过单片机对光纤传感器的反射光信号进行运算分析,获得传感器反射信号的波长变化数据,解调出传感器感应的物理量变化值[4]。

解调仪的光路原理图见图2。

驱动电路驱动DF B 光源发出规定范围波长的光信号,经光耦合器传到光纤传感器,传感器返回与测量物理量对应波长的光信号,再经光耦合器送到光电探测器转换成电信号,由数据采集处理电路进行处理计算出波长值。

光纤光栅温度传感器受温度变化引起的发射波长的移动可表示为[5]Δλλ=(a +ζ)ΔT 图2　解调仪的光路原理图式中:ζ为光纤的热光系数,描述光纤折射率随温度的变化;α为光纤的热膨胀系数,描述光栅的栅距随温度发生的变化。

从式中可以看出,Δλ与ΔT 之间呈线性关系,通过测量光纤光栅反射波长的移动Δλ,便可以确定温度T 。

2　解调仪的硬件和软件设计2.1　电路总体结构解调仪电路的总体结构原理见图3。

主要由以下几部分组成,输入采集放大电路、光源驱动电路、温度控制电路、DF B 光源、C8051F410单片机、输出显示、键盘输入和数据输出接口等。

图3　解调仪电路的结构原理图2.2　C8051F410单片机[6]C8051F410单片机是美国Silicon 公司完全集成的混合信号系统级芯片(S oC )中的一种,具有与8051兼容的高速CIP 251内核,其峰值执行速度是标准8051的12倍,与MCS 251指令完全兼容。

单片机中集成了丰富的模拟和数字资源,其外设或功能包括24个输入口的12位ADC 模拟外设、两个12位电流型DAC 、2304字节数字存储器、32K B F LASH 、电源监视器、看门狗定时器、时钟振荡器和通用串口等。

工作电压是2.0～5.25V ,封装形式是LQFP32。

2.3　光源驱动电路DF B 光源产生光的波长与驱动光源的电流有关,此外波长还与DF B 光源本身的温度有关,因此要有效地控制光源的波长,还必须在保持DF B 光源温度恒定的情况下进行。

图1所示的波长与驱动电流的关系曲图4　光源驱动电路图线就是光源温度恒定在25℃下的情况。

从图中可以看到光的波长和驱动电流在较小的范围内可以认为是线性关系,在变化较小的区域里我们的控制和计算可以简化。

采用C8051F410单片机作为驱动电流控制时,由于单片机本身具有D ΠA 输出功能,这样电路不需要另外增加D ΠA 电路,元器件也减少了,使电路简化。

因为单片机内部配备的D ΠA 转换是电流型的,需要通过加电阻R1将输出的电流信号转换成电压信号,原理见图4。

图中由运放U1A 、电阻R2、R3,电容C1和场效应管Q1组成了一个电压转电流的驱动电路,实现光源的电流驱动控制。

96第6期王哲,等:基于C8051F410单片机的光纤光栅解调仪2.4　温度控制电路DF B 光源发出的光波长对温度敏感度很高,在1560nm 波长的范围内0.1℃的变化将产生10pm 的波长图5　光源温控电路图变化。

因此如果解调pm 级的波长精度,必须保证DF B 光源的温度恒定精度在0.01℃的量级上。

为此我们选用美国ADI 公司的温控电路ADN8830作为光源的温度控制电路,可以稳定在0.01℃范围内。

为了实现温控电路的控温点的可随时修改和设置,这里采用单片机的另外一个D ΠA 输出接口实现控温功能(见图5)。

单片机的D ΠA 输出口I DA1输出的电流,经电阻R1转换成电压提供给ADN8830的TE MPSET 端,作为控温参考电压值。

2.5　其它电路前面介绍过C8051F410单片机本身配备有24个A ΠD 模拟外设,这些外设通过与通用图6　单片机程序的流程原理框图接口共用相同接口端子对外连接,不用A ΠD 功能时端口作为通用接口使用。

在这里我们使用其中8个端口作为输入采样的A ΠD 接口用,其它端口作为通用接口使用,其中有显示控制、键盘输入等功能。

C8051FXX 系列单片机由于其执行速度比标准的51系列单片机提高十几倍,大部分型号的芯片需要提供3.3V 的工作电压,而C8051F410是少数可以直接使用5V 电压工作的芯片之一,这样在5V 工作环境下的电路可以简化许多。

2.6　软件单片机程序的流程原理框图见图6。

在程序中完成对DF B 光源的驱动控制、数据的采集和计算、结果的显示和输出及按键的输入功能等。

3　结论利用DF B 激光器波长可调的特性可以比较容易实现对一定波长范围光纤光栅传感器的解调。

图7所示是通过解调仪测出的数据曲线与实际数值曲线的比较,从中可以看出测量值非常接近实际值。

用光纤温度传感器解调仪解调的温度精度可以达到0.5℃以内。

图7　测量与实际数据的比较曲线在电路设计方面,采用C8051F410单片机后,许多功能电路不需要单独设计,如A ΠD 电路、模拟开关、D ΠA 电路、EEROM 电路、看门狗电路等。

在软件开发方面,由于其内部带有2K 内部数字存储器,内存资源使用上比较充裕,便于大量数学运算,32K B 的程序存储器也具有充足的使用空间,此外其执行速度比标准51单片机提高了12倍,使得程序的执行速度有很大提高。

07山　东　科　学 2008年参考文献:[1]RAM UNNO L ,SIPE J E.Dynamical M odel of Directly M odulated Semiconductor Laser Diodes[J ].IEEE Journal of Quantum E lectronics ,1999,35(4):624-634.[2]武成宾,古渊,王加莹,施社平.可调谐激光器技术及其在DW DM 系统的应用[J ].光通信技术,2003(6):31-34.[3]黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.[4]王玉田,郑龙江,侯培国,等.光电子学与光纤传感器技术[M].北京:国防工业出版社,2003.[5]赵勇.光纤光栅及其传感技术[M].北京:国防工业出版社,2007:63.[6]S ilicon Labs.C8051F41XX.Rev.0.8[E B ΠO L ].2006.http :ΠΠw w Π.cn Πxh1Πdown file.(上接第39页)参考文献:[1]童茂松,等油田测试技术中的光纤传感技术[J ].光纤与光缆及其应用技术,2004(1):14-18.[2]KERSEY A D ,GY S LI NG F L ,BOSTICK F X.Fiber O opticsystems for Reserv oir M onitoring [J ].W orld Oil ,1999,220(10):91-97.[3]M ARON R J.Apparatus for Enhancing S train in Intrinsic Fiber Optic Sens ors and Packaging Same for Harsh Environments :U S Paten ,5767411[D].1998-06-16.[4]荆振国,于清旭.用于高温油井测量的光纤温度和压力传感器系统[J ].传感技术学报,2006,16(6):2450-2452.[5]陈绪兴,王鸣,戎华,等.基于波长解调的Fabry -Perot 型光纤ME MS 压力传感器的设计[J ].传感技术学报,2006,19(5):1875-1877.[6]于清旭,王晓娜,宋世德,等.光纤F 2P 腔压力传感器在高温油井下的应用研究[J ].光电子・激光,2007,18(3):299-302.[7]朱红,刘统玉,等.适于油中状态监测的光纤压力传感器[C]ΠΠ全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集.广东四会,2005:893-897.[8]刘海涛,陈建平,HS U Luke.光纤光栅原油压力传感器实验及其可靠性研究[J ].中国激光,2006,33(9):1243-1246.17第6期王哲,等:基于C8051F410单片机的光纤光栅解调仪。