基于风机叶片应力监测的光纤光栅解调电路的研究与设计

孙智鹏 管迎春 何君 陈平 田勇

摘  要：光纤光栅传感器是传感解调系统的主要感知器件，解调系统能够将传感器感测到的光信号转变为电信号，用于系统后期对数据的处理与分析，以实现解调系统的监测功能。为解决解调系统速度低、价格高、通道少等问题，设计一种基于光纤光栅多通道的解调系统，利用SPI通信协议将STM32与FPGA建立主从机制，通过AD9226与CD4051相结合的方式，实现了高速、高精度、多通道的光纤光栅信号解调。系统最终可以同时扫描16个通道，测量范围为1528～1568 nm。

关键词：光纤光栅；解调系统；FPGA；AD9226；CD4051

中图分类号：TP23    文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2023）08-0171-04

Abstract： Fiber Bragg Grating （FBG） sensor is the main sensing device of the sensor demodulation system. The demodulation system can convert the optical signal sensed by the sensor into an electrical signal for the later processing and analysis of data in the system to achieve the monitoring function of the demodulation system. In order to solve the problems of low speed， high price and small capacity of demodulation system， a multi-channel demodulation system based on FBG is designed. The master slave mechanism is established by using SPI communication protocol between STM32 and FPGA. Through the combination of AD9226 and CD4051， high-speed， high-precision and multi-channel FBG signal demodulation is realized. Finally， the system can scan 16 channels at the same time， and the measurement range is 1528～1568 nm.

Keywords： Fiber Bragg Grating; demodulation system; FPGA; AD9226; CD4051

0  引  言

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）是业界公认的种类最多、商用化程度最高﹑应用领域最广泛的一类光纤传感技术[1]。波长传感解调是光纤光栅解调的主要方式之一，当光纤光栅传感器所处环境的待测量发生变化时，可以通过波长漂移的多少来判断待测量变化的大小，与波长漂移量相对应的即反射谱中心波长位置的变化量[2]，因此准确、迅速地解调出光谱中心波长是实现光纤光栅监测系统高精度测量的重要保障。近几年，光纤光栅传感解调技术发展迅速，应用领域更为广泛，在选择解调设备时，解调的精度与速度也有更严格的要求，但目前的解调产品在速度、价格、体积等方面无法兼顾，使得光纤光栅传感技术动态测量领域的细微变化无法被速率低的解调设备监测到，在一定程度上限制了光纤光栅的工程应用。随着物联网技术的迅速发展，在复杂环境下物理量的变化也需被准确测量，而嵌入式的光纤传感解调设备因便携性好、系统性强、体积小等优点被广泛应用于航天设备[3]、桥梁监测[4]、油气管道[5]等复杂工程之中。叶片是风电机组重要组成部分，一旦损坏将导致停机，故对风机叶片状态监测十分必要[6]。

本文设计了一种基于风机叶片应力监测的光纤光栅解调电路，采用STM32407作为主机，搭配高速FPGA芯片作为从机，12位精度、65 Msps采样率的高速模数转换器AD9226作为A/D。能够在风机叶片复杂的工作环境下完成数据采集，实现高速多通道的光纤光栅信号解调。

1  总体设计方案

根据光纤光栅传感器的解调原理，设计一款具有16通道的高速光纤光栅解调系统，如图1所示，主要包括光路和电路两个部分，共分为检测模块、光源模块、通信模块以及采集和处理模块五个模块。

1.1  系统光路设计

光路部分包括光源模块及检测模块，激光器发射出的特定范围内的激光束，在分束器的作用下，将激光束按多路进行重新分配后进入环形器的1端口，由2端口发射至光纤光栅传感器，传感器将特定波长的光谱进行反射，进入环形器2端口，最后由环形器3端口传输至光电探测器，从而完成光信号到电信号的转化过程。

1.2  系统电路设计

电路部分包括信号采集模块，信号处理模块以及通信模块，高速ADC与模拟开关组合可以实现多通道对信号采集，FPGA作为从机，将采集到的信号进行数字滤波，解调以及存储后通过SPI与主机STM32进行数据通信，STM32再通过TCP/IP协议将数据发送至上位机，板载多种通信接口，以保障不同应用场景的使用，同时通过温度传感器和角度传感器对解调设备本身作状态监测。

1.3  系统解调过程

各个部分的组成对整个系统的波长分辨率、系统简洁性和可复用规模，以及对传感器取样速率都有着至关重要的影响[7]。在STM32主机中设定可调谐激光器的步进值、扫描频率及激光波长输出的范围。在本系統中将循环输出功率设置为20 mw，最小步进值设置为8 pm，根据可调谐激光器参数将波长范围为1 527.605 nm至1 568.362 nm。可调谐激光器输出两路不同的信号，如图2所示。同步信号在扫描周期开始的第一个波长输出时，产生一个同步的上升沿，脉冲信号则在每一个波长输出时都产生一个同步的上升沿。接收端在同步信号的上升沿到来时，开始计数，记录脉冲信号的个数，即可通过步进值与起始波长位置得到反射谱的波长信息，根据光纤光栅传感器的不同，反射谱的波长值也互不相同，反射的光谱经光纤环形器返回至光电探测器。

使光纤光栅传感器的信号得到实时解调效果，本系统通过STM32主机对可调谐激光器设置为连续采集模式。先将可调谐激光器进行初始化设置，对步进精度、采样点数和触发模式进行定值设置。系统的采集机制根据STM32主机内部程序设置触发，触发信号为激光器输出的同步信号。扫描激光器通过TTL或RS232与STM32主机进行连接，再设置输出的步进精度与扫描频率，同时返回初始化成功信息至STM32主机，开启信号采集。当收到同步信号的上升沿时，采集系统对识别信号是否正常进行阈值判断，同时对脉冲信号和光纤光栅传感器反射的信号进行采集。通过STM32控制的通信模块，将采集的数据传输至后台，同时进行存储连续监测。

2  关键电路设计

2.1  A/D数据采集模块

为了保证模数信号的高速转换，本系统采用ADI公司生产的AD9226芯片，该器件采样速率高达65 Msps，具备12位的采样精度，拥有尺寸小、功耗低、信噪比高等优点，在信号处理、设备仪器等领域有广泛应用[8]。AD9226芯片内部，集成了具有高性能的采样保持放大器与参考电压源，多级差分的流水线架构，能对输出值进行误差校正，保证在整个工作温度范围内不存在失码现象，AD9226芯片的输入能够与解调、超声和通信系统实现轻松对接，运用自身差分输入结构，使其动态性能具有极大优势。AD9226芯片内部可提供1 V或2 V两种参考电压源，本系统中采用2 V作为参考电压。AD9226芯片电压输入范围为1.0～3.0 V，由于系统外部电压范围达到-5～+5 V，因此，需要利用电压反馈型的高速放大器AD8065芯片与常规运算放大器TL072芯片相结合的方式在AD9226的前端设计一个衰减电路。其输入与输出转换式为：

其中Vin为输入电压值，Vout为输出电压值。A/D转换出的数字信号，只需按式（1）反向运算即可得到输入电压的真实数值，多通道解调系统中单路A/D采集电路如图3所示。

将SENSE引脚与模拟地相连形成低电平，此时芯片使用内部参考电压源，内部参考电压从VREFA输出，大小为2 V，同时将此电压提供给衰减电路。

为采集范围更大的电压数据，需要在AD模数转换电路前加入一个电位移动与衰减电路。在该电路的作用下，能够将-5～+5 V的电压转换为1～3 V。输入的VREFA参考电压2 V，由AD9226的VREFA引脚提供，经过电压跟随器U31.2和反向比例放大器U1.1得到NREFA=-2 V为定值，因AD8056组成电压负反馈型放大器，如式（2）：

5 V时，VVREFA=3 V。这样就使得输入信号由-5～+5 V衰减到1～3 V满足电压需求。

2.2  CD4051模拟通道设计

本系统采用两片CD4051芯片八选一模拟开关来实现16个通道的切换。CD4051模拟开关因导通阻抗低、截止漏电流低等优点被广泛应用与电子设计中，其相当于一个单刀八掷开关，由8个数字信号控制的通道[9]。最显著的特点是，可以通过低幅值的数字信号来控制高峰值的模拟信号，在一个数字信号的幅值为0～5 V时，它所控制的模拟信号幅值范围最高能达到20 V。如图4所示，其具有1个INH输入端及3个二进制输入端，若一个3位的二进制信号选用模拟开关的通道时，只要经过其中一个通道，就能将输入端与输出端相连接。

若INH输入端为1时，各引脚均不接通，即通道进入截止状态。在整个电源范围内，模拟开关电路的静态功耗极低，只与自身所在电路相关，而与控制信号的逻辑状态无关。通过A，B，C三个地址码决定第几路为接通状态，由其电平状态的组合情况如表1所示。

2.3  防串扰电路

解调电路中同时包含数字地和模拟地，其实在本质上都是地，但一方面模拟信号对地的要求比数字信号对地的要求高得多，另一方面数字信号和模拟信号会互相串扰，故两种地需要进行区分。模拟地和数字地都是单点接地，同时需要进行连接，均流入大地使其0电位。若不相接则会产生压差，逐渐汇聚电荷造成静电，对电路造成不可逆装损伤。地作为参考电位值为0，电路中的所有电压均以地作为参考得出，地的標准值要统一，所以将各类地短接在一起。同时若把模拟地和数字地进行大面积的直接相连，则会导致信号的互相串扰，因此，在本系统设计电路板时，为了减少模拟电路和数字电路之间的干扰，使用了0欧电阻隔离模拟地和数字地如图5所示。

3  多路解调电路板

对电路板进行不加电调试，先用手触碰周围金属物体，泄放掉静电，防止因为人体带的静电对电路板产生不可逆转的损害，再用万用表对电路板的元件及关键位置进行检查，如电源输入是否短路、管脚是否存在虚焊、电解电容是否焊反等[10]。确认无误后，使用数字直流电源对电路板进行加电调试，在电路板设计的过程中，所有电源输入端均加入了发光二极管指示电路，能够直观地显示电源供电情况。解调电路板实物图如图6所示。

4  应  用

将解调电路板进行封装，安装至风机轮毂内电气控制箱处，如图7所示，将八个光栅传感器串联呈一路铺设在叶片内表面。光栅传感器与所设计解调系统进行连接后，可以从示波器中清楚观察到反射谱波形显示情况，如图8所示。

5  结  论

本文提出了一种基于风机叶片应力监测的光纤光栅解调电路的设计，本设计结合STM32和FPGA的优势，能够满足风机发电机桨叶应力监测需求。通过设计AD9226的外围电路，ADC转换电路的基础上提供了其衰减电路，将模数转换器的输入电压范围从-5～5 V衰减至1～3 V。通过将两路八选一模拟开关与AD9226相结合，可以实现16个通道同时采样，充分发挥FPGA并行控制能力，将多路数据进行实时采集，实现了对光纤光栅数据的高速处理。

参考文献：

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[2] 韩超，胡宾鑫，朱峰，等.基于小波降噪的光纤布拉格光栅波长高精度解调算法 [J].激光与光电子学进展，2022，59（5）：132-138.

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[6] 吕安强，魏伦.基于光纤传感技术的风机叶片故障检测技术研究进展 [J].高压电器，2022，58（7）：83-92.

[7] 周慧栋，王东，王宇，等.扫描激光器型光纤光栅解调仪设计 [J].光学技术，2019，45（2）：153-158.

[8] 潘嵩，鞠振河，赵音.基于Cortex-M7的32位ARM高速ADC采集电路 [J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2022，18（1）：62-65+74.

[9] 陈炜炜，詹跃东.基于单片机的直流电机PWM调速系统 [J].化工自动化及仪表，2019，46（3）：218-222.

[10] 张晨亮，苏学军，王成刚，等.基于AD9226的数据采集板设计与实现 [J].实验技术与管理，2017，34（S1）：63-65+69.

作者简介：孙智鹏（1995—），男，汉族，山东平度人，硕士研究生在读，研究方向：光纤传感技术、电机与控制。