基于串口的光纤光栅解调仪多通道扩展电路设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２０卷第３期　２００７年９月　宁波大学学报（理工版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＩＮＧＢＯ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＳＥＥ）　ＶｂＩ．２０　ＮＯ．３　Ｓｅｐｔ．２００７　文章编号：１００１—５１３２（２００７）０３—０２８５—０４　基于串口的光纤光栅解调仪多通道扩展电路设计　周勤峰，徐铁峰　（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波３１５２１１）　摘要：光纤光栅解ｉＮ，ＩＹ￣（ｓｉ７２０）Ｚ有２个通道，为使其可连接更多的光纤传感器，以满足需大量监　测点的大型传感工程的要求，需扩展其通道数．介绍采用光开关来实现扩展通道数的方法，并设　计了１种基于ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机制作的光开关驱动电路．在串口通信下，可实现４个通道间相　互切换，切换时间小于２０ｍｓ．并分析了电路硬件和软件设计，具有一定的实用价值．　关键词：光纤光栅；光开关；串口通信　中图分类号：ＴＮ２５３　文献标识码：Ａ　近年来，光纤光栅单点传感技术Ｈ趋成熟，且　在工程上已有应用¨。Ｊ．单点光纤光栅传感器具有　诸多优点，在实际应用中正发挥着重要作用，但因　其感测点少以及对光源的独占性，使其性价比降　低，而没有充分利用其潜在的功能［４］．　为了实现多点或准分布式的实时监测，就需多　个传感通道．而Ｍｉｃｒｏｎ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｉｎｃ制作的ｓｉ７２０光　纤光栅解调仪只有２个通道，为了扩展其通道数，　１　硬件设计　光纤光栅解调仪多通道扩展电路由串口通信　接口电路、电源供给电路、光开关驱动电路和光开　关等模块组成，其系统结构框如图１所示．　又设计了１个多通道扩展模块（ｓｍ０４０—２０８），使得　解调仪可实现８通道切换扫描．但这个多通道扩展　模块的价格相当昂贵，经济效益较低．　因此为降低光纤传感系统的成本，又不影响整　图１系统结构框图　１．１电源供给模块　通用串行总线（ＵＳＢ）是将适用ＵＳＢ的外围设　备连接到主机的外部总线结构，主要用于中速和低　表１　ＵＳＢ针脚定义　体性能，本文用由１　Ｘ　２微机械式光开关组合而成　的１　Ｘ４光开关来设计１个多通道扩展电路，使解　调仪原有的２个通道扩展为８个通道．同时制作了　针脚　功能　＋５Ｖ电压（ＶＣＣ）　１种基于ＡＴ８９Ｃ２０５１单片机的光开关驱动电路，并　应用Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中的串１５１通信程序（超级终　端）实现了光纤光栅解调仪的通道间的互相切换．　数据通道（一ＤＡＴＡ）　数据通道ｆ＋Ｄ　ｒＡ）　地线（ＧＮＤ）　收稿日期：２００７—０１—１２．　宁波大学学报（理工版）网址：ｈｔｔｐ：／／３ｘｂ　ｎｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　作者简介：周勤峰（１９８２一）．男，浙江嘉兴人，在读硕士研究生，主要研究方向：光纤通信技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕ　ｑｉｎｆｅｎｇ＠１６３　ｃｏｍ　维普资讯 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宁波大学学报（理工版）　Ｃ８　ＶＣＣ　・Ｔ／ｌ　Ｔ　Ｐ　．Ｏ　１　Ｃ］　ＢＵＳ　ｌ　　ｌＩ　［ｌｃ６　ＶＣＣ　。　Ｆ　ｖ＋　Ｖ．　Ｃｌ＋　．二　Ｃｌ－　ｃ　Ｋ　Ｊ　Ｃ２　ＲＳＴ　Ｆ　１ｌ　ｊ▲ｐ　．——●　Ｘ１＿ＡＬｌ　Ｐ　．Ｉ　—Ｐ　．２　—，　／　＜＞　器Ｋ＜　Ｒ１　／　＜　＞ｌ０Ｋ　／　／　ＤＩ　｝９　Ｃ７　Ｃ２＋　ＭＡＸ２３２　ＧＮＤ　Ｃ２．　ｌ１．Ｐ　＿３　—＜＞　Ｏ　；９２ＩＶ口　ＡＴ８９Ｃ２０５１；　４　—／　—／　—』　．　Ｏ－－　６　ｌ．　＝＿Ｃ３　『　ＩＴ　ＸＴＡＬ２　Ｐ　７　Ｐ　．６　．５　１＇　【　＿　Ｏ－－　—亏］　Ｏ－－－－－－－——　８　Ｏ－－－－－・－一　９　Ｏ　ＴｌＯＵＴ　ＴｌＩＮ　Ｊ　Ｐ：　Ｉ　２，　ＴｘＤ，Ｐ３．１　　Ｒｌ　ＩＮ　Ｒｌ　ＯＵＴ　Ｔ２ＯＵＴ　Ｔ２ＩＮ　Ｒ２ｌＮ　Ｒ２ＯＵＴ　Ｉ．．．．．～／　Ｐ３．４　／　Ｐ３．５　——Ｐ３．７　＼　ｌ　图２串口通信电路图　速的外设．ＵＳＢ的电缆有４根线，其中２根可作为　一些外设的电源，具体针脚定义如表１所示．　本系统采用ＵＳＢ供电，同时为降低电源噪声　对其他器件的影响，在ＶＣＣ对地需加０．１　的去　耦电容ｃ８．当通电时，系统的通电指示灯ＬＥＤ１　发亮，具体电路如图２所示．　１，２接口电路模块　图３　１　ｘ４光开关示意图　由于ＡＴ８９Ｃ２０５　１单片机输入、输出电平为ＴＴＬ　带锁定的微机械式光开关是通过改变光信号　的方向来实现光信道的选通．器件采用插损很小　电平，而计算机串口是ＲＳ一２３２Ｃ标准串行接口，二　者的电气规范不一致．因此，要完成Ｐｃ机与单片机　的数据通信必须进行电平转换，在此使用集成电平　转换芯片ＭＡＸ２３２．它只需单＋５　Ｖ为其工作，再配　接４个１　电解电容即可完成电平转换　Ｊ．在实际　应用中，ＭＡＸ２３２芯片对电源噪声很敏感，因此在　用ＵＳＢ为其供电时，加上１个去耦电容．　通信时只需从ＭＡ２３２芯片中的２路反送接收　器中任选１路作为接口，但必须让发送和接收的引　脚相对应．具体硬件连接如图２所示，通过“超级　终端”向单片机发出指令，切换待测光路．每发１　次指令，系统工作指示灯ＬＥＤ２就会闪烁２　Ｓ．　１．３光开关及光开关驱动模块　的棱镜来进行光的切换、耦合，此举大大提高了光　开关的可靠性和稳定性．其控制继电器是单线闭　锁型继电器（Ｇ６ＨＵ一２），线圈电阻为２５０　．因此，　实现光开关切换就需在继电器的２个控制管脚间提　供约２０ｍＡ的电流，相应的工作电压为５　Ｖ　由于继电器需要双向的电流通路，系统采用了　推缓工作式电路，如图４所示．将这个驱动电路的　输出（电流反向时为输入）脚ＰＩＮ接光开关１个继电　器控制脚，例如图４中的ＰＩＮ１．当驱动电路的２　个控制脚，例如图４中的ＣＴＲＬ１和ＣＴＲＬ２，ｌ司时　为低电平时，输出脚ＰＩＮ可提供约４．３　Ｖ的电压，　该电压可使继电器正常工作．当同时为高电平时，　ＰＩＮ为输入脚，约为０　Ｖ．因此，用２个这样的推缓　电路来控制１个光开关的继电器，就能提供可双向　导通的电流．如果要切换光开关的通路时，只要使　为了扩展更多的通道，本系统用３个１×２带　锁定的微机械式光开关组合成１个１×４光开关，　如图３所示因此，光纤光栅解调仪原有的２个通　道被扩展为８个通道，即可对更多光路进行监测．　１个驱动电路输出高电平，另１个为低电平．该继　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　周勤峰，等：基于串口的光纤光栅解调仪多通道扩展电路设计　２８７　电器带锁定功能，完成通路切换工作只需上电３　ｍｓ，因此，在不工作时继电器的２个控￣ＪＮＰ（例如　ＰＩＮ　１，ＰＩＮ　２）同时设为低电平，相应的２个驱动　ＴＨｌ：０ｘｆｄ：　ＴＲ１＝１；／／开定时器１　／／串口设置　电路的控制端可全设置成高电平．这些控制脚由　单片机ＡＴ８９Ｃ２０５１的Ｐｌ口和部分Ｐ３口的管脚控　位　ＳＣＯＮ＝０ｘ５０；／／８位可变波特率，无奇偶校验　ＴＲ１＝１；／／开定时器１　制．由于单片机的Ｐ１．０和Ｐ１．１没有上拉电阻，在　实际应用中接了１个１０ｋＱ的贴片式电阻．同时需　注意到单片机允许的输出电流值比较小，因而本系　统用了单片机２个管脚来控制１个推缓式电路的工　作状态．　ＶＣＣ　ｉ　图４光开关驱动电路图　２软件设计　为实现单片机与计算机串口问成功通信，单片　机（下位机）采用Ｃ５　１语言编程，而计算机（上位机）　直接应用Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统中的串口通信程序一　超级终端．并约定两者问的通信协议：波特率为　９　６００　ｂｐｓ；没有奇偶校验；８个数据位；１个停止位．　下位机程序先在ＷＡＶＥ２０００单片机仿真测试　软件下调试成功，再写入ＡＴ８９Ｃ２０５　１单片机中．单　片机通过中断方式接收计算机发送的通道选择控　制指令，并回送确认信号给计算机，其程序流程图　如图５所示．　初如化程序如下：　／／定时器１设置　ＴＭＯＤ＝０ｘ２０；／／设置Ｔ１工作方式　ＴＬ１＝０ｘｆｄ；／／将串口波特率设置为９　６００ｂ・ｓＪ　ＥＳ＝１；／／开串口中断　ＥＡ＝１：　丰程序开始　串口中断服务子程序　定时器１与串行口初始化　Ｊｒ　关中断　启动定时器１与开中断　、Ｌ　标定所需通道　通道选择　厂　、Ｌ　应用定时器０使工　通道驱动电路上电　作指示灯亮２　Ｓ　、Ｌ　延ｕ￣２０ｍｓ　向Ｐｃ机回传　确认信号　关闭驱动电路电源　图５程序流程　３　功能结果　根据上述实施方案，制作了电路板，很好地实　现了预先设计的功能．经过测试，电路比较稳定，　每次通道切换伴有ＬＥＤ发光指示．４通道的工作波　长范围为：１５２８～１６１０　ｎｍ，很好地匹配了解调仪　的工作范围（１５２０～１５７０　ｎｍ）．在实际使用中，通道　切换时间小于２０　ｍｓ，这短暂的切换时问对现实的　大型光纤光栅传感工程无太大影响，同时光开关的　使用使线路的损耗有所增加．４个通道的插入损耗　（ＩＬ）和偏振损耗（ＰＤＬ）￣Ｉ表２所示．由于光纤光栅　传感器对波长需绝对测量，光强损耗不会影响监测　结果．　维普资讯 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２８８　表２插入／偏振损耗表　通道口　１　２　３　４　宁波大学学报（理工版）　２００７　ｔｕｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｅｎｔｅｒ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ＩＬ／ＰＤＬ／（ｄＢ）　０．７９／０．０　１　０．８６／０．０２　０．８３／０．０２　０．８７／０．０１　ｉｆｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔ　Ｃｏｍｍｕｎ，２００３，２　１　６（４／６）：　３４３—３５０．　张伟刚，许兆文，杨翔鹏，等．用单光纤光栅实现扭转　与温度的双参数传感测量［Ｊ１．光学学报，２００２，２２（９）：　１　０７０．１　０７５．　通过光开关切换将解调仪的每个通道扩展４　张伟刚，董新永，赵春柳，等．利用光纤光栅在双侧悬　臂梁中的啁啾实现对挠度和应力的传感研究【Ｊ】．光学　个通道，这４个通道是切换着测量的，非同步测量．　学报，２００１，２１（１１）：１　３０９—１　３１２．　因此扫描速度会降成原来的１／４，但每个通道带宽　Ｒａｏ　Ｙ　Ｊ，Ｊａｃｋｓｏｎ　Ｄ　Ａ．Ｒｅｓｅｎｔ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　与原单通道相同．所以同一波长的传感器可分布　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｉｎ—ｉｆｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ　ｏｆ　于新扩展的４个通道内，每个通道接的传感器数量　ＳＰＩＥ，１９９６，２　８９５：５１４・５１８．　与扩展前单通道相同．　邹彩梅，叶振华．掌上电脑与微处理器８９Ｃ５１的串口　通信的实现ｉｆ］．２００３嵌入式世界研讨暨展示会论文集．　参考文献：　电子产品世界杂志社，２００３：４８２—４８８．　［１］Ｚｈａｎｇ　Ｗ　Ｇ　Ｌｉｕ　Ｙ　Ｇ　Ｋａｉ　Ｇ　ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ＺＨＯＵ　Ｑｉｎ—ｆｅｎｇ，ＸＵ　Ｔｉｅ—ｆｅｎｇ　ｆ　Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　３　１　５２　１　１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ｏｎｌｙ　ｔｗｏ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｉ７２０　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｎｅｃｔ　ｉｔ　ｔｏ　ｍｏｒｅ　ｆｉｂｅｒ．ｏｐｔｉｃ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｓｕｃｈ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅｔ　ｆｏｒ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｏｕｓ　ｍｏｎｉｔｏｒｓ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ａｄｄｉｎｇ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｈａｎｎｅｌｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ，ａｎｄ　ａ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｄｒｉｖｅ．．ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＡＴ８９Ｃ２０５　１　ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｉｎ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｃａｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｔｏ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ　ａｍｏｎｇ　４　ｃｈａｎｎｅｌｓ，ａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔａｋｅｓ　ｎｏ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　２０　ｍｓ．　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｗｏｒｋ　ｍａｙ　ｒｅｎｄｅｒ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｂｅｒ　ｇｒａｔｉｎｇｓ；ｆｉｂｅｒ—ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ；ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ＣＬＣ　ｎｕｍｂｅｒ：ＴＮ２５３　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｃｏｄｅ：Ａ　（责任编辑章践立）