4.4.2 系统平台器件选择
系统平台见图4.9，它由宽带光源、可调谐F-P有源滤波器、光衰减器、光环形器、光纤光栅加速度传感器、TI公司的TMF320F2812数字信号处理芯片以及PC机组成。器件型号和参数的选取也是非常重要的环节。宽带光源主要从输出功率、光谱覆盖范围和增益平坦这几个方面考量，有源滤波器主要是精细度、低损耗和波长选择特性，光衰减器主要是光的单向性与隔离度，光环形器主要是光隔离度、传输特性，光纤光栅加速度传感器主要是光栅的形变量随外界振动信号的强弱变化比较敏感，进而影响反射光的波长，这里主要研究的是灵敏度。
图4.8 系统硬件总体框图
(1)宽带光源SLED(超辐射发光二极管)
在电力变压器振动在线检测系统中，光纤光栅传感解调模块应采用光谱范围较宽、稳定性好、输出功率高、利于信号的解调的光源，防止光功率的损失。因此，本节设计中采用的光源是SLED宽带光源。SLED光源是专为传感、光纤陀螺、实验室等特殊应用领域设计的超宽带光源。其相对于一般的宽带光源具有输出功率高、覆盖光谱范围宽等特点。光源核心器件采用3dB带宽达40nm 以上的特殊高输出功率SLED，经过独特的电路整合，可以在一个设备内放置多只SLED 来达到输出谱线的平坦化。独特的ATC 和APC电路通过控制SLED的输出保证了输出功率和谱线的稳定。通过调节APC，可在一定范围内调节输出功率。这种APC电路能使操作简便并容易实现智能化远程控制。
图4.9 系统平台框图
基于光纤光栅传感解调系统采用的ASE宽带光源是四川腾光科技有限公司生产的型号为OS8143-10型宽带光源，光谱范围在C波段，如图4.10所示，光源的详细参数如表4.2所示。该光源相比于ASE宽带光源有更灵活的波长选择和更宽的波长覆盖，几乎可以覆盖从1525～1565nm 任意的波长和波长区域。由图中可以看出1525～1565nm 范围内的光源光谱稳定性非常好，光谱平坦，并且输出功率也可满足系统要求。
图4.10 光源光谱图
表4.2 宽带光源参数
(2)可调谐F-P滤波器
自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)、精细因子以及与之相关的3dB带宽，决定F-P滤波器性能的三个光学性能参数。为了使F-P滤波器得到更好的利用，在FBG解调系统中，必须满足以下几点的要求：①自由光谱范围应大于光源的光谱范围，使可调谐F-P滤波器扫描光源整个光谱范围；②宽带光源的整个光谱范围内有且只能有一条F-P透射光谱通过。可调谐滤波器采用美国MOI公司的FFP-TF2滤波器，光谱动态范围可覆盖C+L波段，在1550nm 附近的自由光谱(FSR)范围是100nm，3dB带宽波长间隔为0.16nm。动态响应较为出色，调谐电压18V/FSR，调谐速度可达800Hz/FSR，工作温度在-20℃～80℃之间。实物图如图4.11所示。FFP-TF2是基于全光纤F-P标准具技术的特殊可调谐滤波器。波长跟F-P腔长度有倍数关系的光可以通过，而其他波长的光按Airy函数(艾里函数)衰减。FFPTF2可调谐滤波器设计之精华在于无透镜光纤结构。由于没有透镜等准直光学器件，FFP可调谐滤波器可以有很高的精细度，保持低损耗和透射特性。Micron Optics消除了其他FP器件的技术缺陷，包括准直失调、环境敏感和额外模式。(https://www.daowen.com)
图4.11 F-P滤波器实物图
可调谐F-P滤波器是基于全光纤F-P标准具技术的特殊可调谐滤波器，对入射的光谱具有波长选择特性。当入射光波长与F-P腔的腔长成整数倍关系时，入射光可以通过可调谐F-P滤波器；而当入射光波长不满足该条件时，入射光按艾里函数衰减。光纤F-P滤波器在不同波长下的选择特性示意图如图4.12所示。
图4.12 F-P滤波器投射波长特性示意图
实验中的可调谐F-P滤波器采用FFP-TF2，其参数可以满足上述条件。在该实验中，所用到的可调谐F-P滤波器中心波长应与宽带光源一致，为1550nm，FSR大于宽带光源的谱宽，为98.8nm，带宽为0.177nm，调谐一个自由光谱范围的电压约为18V。
(3)F-P标准具
基于光纤光栅传感解调系统采用的F-P标准具的光谱范围是1525～1565nm，刚好覆盖光源所在范围。自由光谱范围是100GHz，热稳定性小于3GHz，插入损耗小于3dB，可满足测量系统要求。
(4)光电检测器
基于光纤光栅传感解调系统采用的光电检测器是四川腾光科技有限公司的同轴封装PIN 探测器组件，工作波长范围为1100～1650nm，带宽为4.6MHz，满足系统探测的光谱范围要求。在1550nm 左右时，探测响应度为0.9A/W，响应时间可达0.3ns，在此参数工作时，可保证解调系统具有较高检测灵敏度，为-50dBm 左右，噪声为0.5m V，此光电检测器具有灵敏度高、噪声低的优点，且宽带光源的波长范围处于该光电检测器工作波长范围内，可以提高FBG波长的检测精确度。
(5)加速度传感器
加速度传感器采用美国MOI公司的os7100加速度传感器，是基于光纤布拉格光栅(FBG技术)，最优化的设计使其可应用于大型结构的加速度检测，测量范围可从直流(DC)到数百赫兹。对于低频信号的检测，os7100具有不逊于传统加速度传感器的精度与稳定性。同时还具有传统加速度传感器所欠缺的抗电磁干扰、防雷击、防腐蚀等能力。
(6)DSP处理芯片
TMS320F2812是基于代码兼容的C28x内核的新型高性能32位定点数字信号处理器，其代码与F24x/LF240x系列DSP代码及部分功能相兼容，C28x内核的指令执行周期达到了6.67ns，最高运行频率可以达到150MHz，保证了控制系统有足够的运算能力。此外，F2812集成有许多外设，提供了整套的片上系统，从而降低了系统成本，实现更简单、高效的控制。其片上外设主要包括2×8路12位ADC(最快80ns转换时间)，2路SCI，1路SPI，1路McBSP，1路eCAN接口等，并带有两个事件管理模块(EVA、EVB)，分别包括6路PWM/CMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定时器(或Tx-PWM/TxCMP)。另外，该器件还有3个独立的32位CPU 定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚。F2812在具备数字信号处理器卓越的数据处理能力的同时，又具有适于控制的片内外设及接口，可广泛应用于各种高性能的系统控制中。F2812不同于F24xx系列DSP，它采用统一编址方式。芯片内部有18K的SARAM，包括MO、M1、L0、L1、H0共5个存储块。各存储块保持独立，可以在同一机器周期对不同的RAM 块进行访问，从而减少流水线时延。而且F2812内部有128K字的FLASH，地址空间3D8000h～3F7FFFh，适用于低功耗、高性能的控制系统。此外F2812提供了外部存储器扩展接口(XINTF)，方便进行系统扩展，其寻址空间可以达到1MB。
