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基于ARM的光纤光栅传感信号解调系统的设计

作　者: 胡立章
导　师: 尹成群; 何玉钧
学　校: 华北电力大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: FBG ARM 滤波高斯拟合 μC/OS-Ⅱ
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,光纤布拉格光栅(FBG)传感器作为一种新型传感技术成为光纤传感领域的研究热点,它以其诸多优点被广泛应用于大型土木工程、航空航天业、电力工业等领域,在科学研究和工程应用中发挥的重要作用日益显现。如何高精度地检测FBG中心波长的微小偏移已成为光纤光栅传感技术的关键性问题。传统的检测方法借助于光学仪器,但体积庞大、价格昂贵、缺乏必要的紧凑性,不适合在实际工程中应用；其他种类的解调方案虽然解决了部分问题,但仍存在运行速度慢、接口类型单一、功能性不强等问题,无法满足系统速度和精度的要求。因此,研究开发出一套高精度、高分辨率,能够准确进行多点同时测量的低成本、高性能的FBG信号传感解调系统成为需要。本课题结合嵌入式技术,设计出一种基于ARM的光纤光栅传感信号解调系统,具有实际意义和学术价值。本文在进行大量调研分析的基础上,介绍了FBG耦合模理论、FBG的传感原理及相关技术指标,并对几种常见的解调方法进行了比较,着重介绍了基于可调谐Fabry-Perot滤波器的FBG传感系统；在嵌入式系统方面,简单介绍了嵌入式系统的组成,如嵌入式处理器、外围设备及操作系统,对应用开发的设计流程及μC/OS-Ⅱ操作系统移植条件和主要任务做了相应描述。在基于嵌入式的FBG传感信号解调系统硬件设计方面,搭建了以内核为ARM920T的S3C2440A微处理器为核心部件,以电源和复位电路、存储电路、串行电路、USB模块、JTAG接口为外围电路的最小系统；在软件设计方面,利用LabVIEW与MATLAB技术仿真产生了含噪声的FBG传感解调信号,并提出一种基于采集、滤波、寻峰、拟合、定位的FBG传感解调信号处理流程。在ADS1.2集成开发环境下通过C语言编程实现了流程中的每个步骤,针对流程中的滤波与拟合部分进行了详细研究及分析；在μC/OS－Ⅱ操作系统成功移植到S3C2440A微处理的基础上,完成各部分信号处理任务的编写,并结合系统硬件完成调试。实验表明本系统能够正常采集FBG信号,能够完成系统中预定的数据处理任务,同时验证了本文提出的基于ARM的光纤光栅传感信号解调系统的设计是可行的,理论是正确的,方法是有效的。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-14
  1.1 引言  9
  1.2 FBG传感技术的特点及应用现状  9-10
  1.3 FBG传感技术的国内外研究动态  10-12
  1.4 课题研究背景和意义  12
  1.5 本课题的研究内容  12-14
第2章 FBG解调理论基础与解调技术  14-24
  2.1 FBG耦合模理论  14-16
  2.2 FBG传感原理  16-20
    2.2.1 FBG温度传感模型  17-18
    2.2.2 FBG应变传感模型  18-19
    2.2.3 FBG压力传感模型  19-20
    2.2.4 FBG温度-应变交叉传感模型  20
  2.3 FBG传感器技术指标  20-21
    2.3.1 传感器带宽  20
    2.3.2 FBG反射率  20
    2.3.3 FBG传感器的边模抑制  20-21
  2.4 FBG传感器的波长解调技术  21-23
    2.4.1 匹配光栅滤波法  21
    2.4.2 非平衡M-Z干涉仪法  21-22
    2.4.3 可调谐窄带光源法  22-23
    2.4.4 可调谐F-P滤波器法  23
  2.5 小结  23-24
第3章基于ARM平台的FBG解调系统硬件设计  24-35
  3.1 嵌入式系统介绍  24-27
    3.1.1 嵌入式系统的定义与特点  24-25
    3.1.2 嵌入式微处理器  25
    3.1.3 嵌入式外围设备  25-26
    3.1.4 嵌入式操作系统及其选择  26-27
    3.1.5 嵌入式应用软件  27
  3.2 嵌入式微处理器的选型  27-29
    3.2.1 嵌入式微处理器的选型要求  27
    3.2.2 嵌入式微处理器ARM介绍及选型  27-29
  3.3 解调电路最小系统设计  29-34
    3.3.1 电源电路  30
    3.3.2 复位电路  30-31
    3.3.3 存储系统  31
    3.3.4 串行电路  31-32
    3.3.5 USB模块  32-33
    3.3.6 JTAG调试接口  33-34
    3.3.7 RTC实时时钟电路  34
  3.4 小结  34-35
第4章基于ARM平台的FBG解调系统软件设计  35-61
  4.1 软件平台设计  35-36
    4.1.1 ARM集成开发环境ADS1.2  35-36
    4.1.2 编程语言  36
  4.2 FBG解调系统原理  36-37
  4.3 信号处理流程  37-52
    4.3.1 FBG信号与噪声模型  37-39
    4.3.2 数据采集  39-44
    4.3.3 滤波算法分析及选择  44-48
    4.3.4 寻峰算法  48
    4.3.5 拟合算法及分析  48-52
  4.4 μC/OS-Ⅱ操作系统在S3C2440A处理器上的移植  52-59
    4.4.1 μC/OS-Ⅱ操作系统移植的基本要求及主要任务  52-53
    4.4.2 μC/OS-II在S3C2440A上的移植过程  53-57
    4.4.3 应用程序编写  57-59
  4.5 系统运行结果及分析  59-60
  4.6 小结  60-61
第5章总结与展望  61-62
参考文献  62-65
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  65-66
致谢  66

基于ARM的光纤光栅传感信号解调系统的设计

内容摘要

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