当前位置：文档之家 › 基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

  • 格式：pdf
  • 大小：4.28 MB
  • 文档页数：5

第38卷第5期 2017年9月应用光学 Journal of Applied Optic:Vol. 38 No. 5 Sep. 2017

文章编号：l〇〇2-2082(2017)05-0852-05

基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法

唐晨飞，万生鹏，贾鹏，陈瑞麟(南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西南昌330063):提出了一套基于FPGA(fiber-Bragg-grating)和DS18B20的温度布拉格光棚■的波长标定 方法。基于DS18B20对外界温变的实时响应特性，将数字温度传感器DS18B20与连接了光谱仪 的温度光乡千布拉格光棚■ FBG置于同一温度场中，以现场可编程门阵列FPGACfield-programable- gate-array) 作为 数据处理和控制芯片 ，设计了通过串口发送智能指令对温场 变化的 实时监控和显

示系统。方法中不需要温箱进行恒温控制，降低了 FBG波长标定的成本及功耗。实验表明，标定 出的波长-温度曲线线性度为0. 999,测得光柵的温度灵敏度系数为9. 899 pm/°C，与用恒温箱测

得的结果10. 468 pm/°C相差0. 569 pm/°C，在系统允许误差0. 619 pm/°C范围内，验证了该方法 的准确性。:光纤布拉格光柵；波长标定；FPGA;DS18B20;串口通信

中图分类号：TN253 文献标志码：A doi：10. 5768/JAO201738. 0508003

Wavelength calibration method of temperature FBG based

on FPGA and DS18B20

Tang Chenfei’Wan Shengpeng,Jia Peng,Chen Ruilin (Jiangxi Engineering Laboratory for Optoelectronics Testing Technology,Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063 ,China)Abstract：Based on real-time response of DS18B20 to external temperature, digital temperature

sensor DS18B20 is placed in the same temperature field as the temperature fiber Bragg grating (FBG) connected with the spectrometer. Taking field-programable-gate-array(FPGA) as a data processing and control chip, real-time monitoring and display system on the temperature field change is designed through serial port to send intelligent instructions. This method does not need thermostat to control temperature, which reduces the cost and power consumption of FBG wavelength calibration. Experimental results show that the linearity of wavelength-temperature curve is 0. 999 , and the temperature sensitivity coefficient of FBG is 9. 899 pm/°C , which differs from the result 10. 468 pm/°C measured with thermostat to 0. 569 pm/°C. The error falls in the range of 0. 619 pm/°C allowed by the system, which verifies the accuracy of the method.Key words：FBG； wavelength calibration；FPGA；DS18B20 ；UART

收稿日期=2017-01-03 ; 修回日期：2017-05-27

基金项目：国家自然科学基金项目（61465009; 61067005);教育部项目（210119)

作者简介：唐晨飞（1991 一），男，湖南郴州人，硕士，主要从事光纤通信及传感方面的研究工作。E-mail：tcf20161206@163. com通信作者：万生鹏（1971 —），男，江西南昌人，教授，硕士生导师，主要从事光通讯及传感/光电检测技术研究。 E-mail： sp.wan@163.com应用光学2017,38(5) 唐晨飞，等：基于FPGA和DS18B20的温度光栅的波长标定方法• 853 •

引言光纤布拉格光栅传感器相较于传统机电类传 感器，具有抗腐蚀和抗干扰能力强、制作工艺成 熟、可对环境变量进行绝对测量等明显优势M，所 以被大量应用于结构健康监测和无损检测等领 域[3_4]。例如广州的“小蛮腰”上就铺设了大量的光 纤布拉格光栅，以实时监测其安全状况[5]。当光纤布拉格光栅受到的外部应力、温度等 物理量发生改变时，其中心波长会发生对应的变 化。在各类实用的传感网络中，重点研究的主要 有2个方面，一是高性价比的解调技术；二是符合 工程要求的测量精度。同样地，在光纤光栅传感 系统中也是如此。对于波长解调方法来说，有光 谱仪法、边缘滤波法、可调F-P滤波法、体相位光 栅法、匹配光栅法等经典方法[6]，而在提高精度方 面，除了改进解调方法外，还需要精确测量环境变 量与FBG中心波长的关系。本文着眼于温度传感，提出了 一种寻找波长 与对应温度关系的方法，即通过控制温度标定波 长的方法。波长标定越准确，解调系统可以达到 的精度就越高。为了测得某一温度下FBG的中心 波长，目前主要采用的是恒温箱与光谱仪或光波 长计配合工作的方法。然而，恒温箱价格昂贵，占 空间[7]，功耗大，比如杭州保温恒温有限公司的光 纤恒温箱 BH8001(DC12V，20A)。鉴于此，本文提出了 一^种基于FPGA和 DS18B20的温度光纤光栅的低成本、低功耗的波长

标定方法。一般普通光栅的温度灵敏度约为 10 pm/°C [8]，对于搭载了最小分辨率为0. 062 5°C 的DS18B20的传感系统，存在系统灵敏度误差 0. 625 pm/°C。FPGA具有设计灵活，高速且并行处 理的强大能力，非常适合做数据采集和控制[12]。通 过UART异步串行口与PC通信，实现PC智能控 制温度的读取、显示和报警。搭建了实验测试环境， 将FBG与DS18B20置于同一温度场中，设置上下限 报警温度差值为0.062 5°C，在听见报警前，记录反 射率为90%的FBG在光谱仪上显示中心波长数据。 通过对实验数据分析，验证了该方法的准确性。

1原理与方法1.1 FBG传感原理由于硅光纤具有紫外光敏特性，光纤纤芯经

过紫外光照射后，内部折射率会出现永久性且呈 周期分布，从而改变其光波的传输特性，满足 Bragg衍射条件的光栅，就称为光纤Bragg光栅，

如图1所示。

图1 FBG结构和光谱特性示意图 Fig. 1 Schematic of FBG structure and

spectral characteristics

FBG是一种光纤传感器，环境变量是通过改 变其中心波长而间接获得传感信息。FBG的中心 波长AB、调制周期A和有效折射率neff，满足Bmgg 光栅方程[13]，即Xb = 2/ieff * (1)上式表明，任何引起调制周期或折射率发生改变 的环境参量，都能对FBG的中心波长进行调制，所 以当多个环境参量发生改变时，存在交叉敏感的 问题[14]。在封装温度光栅的过程中，做了温度增 敏和应力去敏。温变引起FBG的热膨胀效应和热 光效应，对光栅周期和折射率进行调制，对（1)式 两边取微分得：AAb = 2 * 77eff * AA + 2 * A/ieff * A (2)

热膨胀效应引起光栅周期改变AA，可表示为= « * A * AT (3)式中w为光纤的热膨胀系数；AT为温度变化量。热光效应引起的纤芯有效折射率的改变量 An6ff，可表示为A/ieff * 77eff * AT (4)式中为热光系数，即折射率随温度的变化率。 结合以上关系，得到FBG的温度灵敏度系数：

Kt

Mb

AT

B6 + «(5)

研究表明，该系数在低温环境下（是一个常量[1516]，即温度变化量与光栅中心波长 漂移量呈线性关系。1. 2数字温度传感器DS18B20DS18B20是由美国DALLSAS半导体公司生 产的单总线数字温度传感器，具有精度高（最小温 度分辨率为〇. 062 5°C)，量程大（测量温度的工作 范围在-55°C至十125°C)、IO 口占用少（只有3个 引脚）等优点。在温度采集过程中，必须严格按照

合集下载

使用光栅测量波长的实验技巧与方法

使用光栅测量波长的实验技巧与方法

使用光栅测量波长的实验技巧与方法引言：光栅是一种广泛用于光学实验和测量中的工具，通过光栅的作用可以精确测量光波的波长。

本文将介绍使用光栅测量波长的实验技巧与方法，希望能为读者提供一些有用的指导。

一、实验器材准备在进行光栅测量波长的实验前，我们需要准备以下实验器材：1. 光源：可以使用激光器或者白光源，确保光源的稳定性和亮度。

2. 光栅：选择合适的光栅类型，常见的有光栅片和光栅光谱仪。

3. 光电探测器：用于接收并测量光信号的变化。

4. 适配器和支架：用于固定光源、光栅和光电探测器。

二、实验步骤1. 设定实验装置：将光源、光栅和光电探测器依次安装在适配器和支架上，确保它们之间的位置和方向稳定并能相互对齐。

2. 调整光栅位置：通过调整光栅的位置，使得光源的光束经过光栅后能够发生衍射并尽可能使衍射光束投射到光电探测器上。

3. 记录基准数据：在没有任何外界干扰的情况下，记录下光电探测器接收到的光信号的强度和波长。

4. 引入待测物质：将待测物质置于光源和光栅之间，记录下光电探测器接收到的光信号的强度和波长。

5. 分析数据：通过对基准数据和待测数据的对比，计算出待测物质的波长。

三、实验技巧与注意事项1. 对齐光路：在实验前，确保光源、光栅和光电探测器之间的光路完全对齐，以保证光线的准确进入光栅并投射到光电探测器上。

2. 控制环境条件：在进行实验时，应尽量减少外界干扰，避免光源、光栅或光电探测器受到其他光源的影响。

3. 多次测量取平均值：为了提高实验的准确性，可以进行多次实验测量，并取平均值作为最终结果。

4. 注意光电探测器的灵敏度：根据实际需求，选择合适的光电探测器灵敏度，以确保对光信号的测量能够达到所需的精度。

结论：通过使用光栅测量波长的实验技巧与方法，我们可以准确测量出光信号的波长。

在进行实验时，需要准备好合适的实验器材，并且注意实验步骤和技巧，以确保实验的准确性和可重复性。

在实验过程中，也应注意环境条件的控制和数据的分析，以获得可靠的实验结果。

基于数字温度传感器DS18B20的测温设计

基于数字温度传感器DS18B20的测温设计

基于数字温度传感器DS18B20的测温设计一．功能要求1．三位数码管显示温度值，保留小数点后一位。

2．温度超过50摄氏度，红灯亮，低于50摄氏度，绿灯亮。

二．方案论证在日常生活及农业生产中经常要用到温度的检测及控制，传统的测温元件有热电偶和热电阻。

而热电偶和热电阻测出的一般都是电压，在转化成对应的温度，需要比较多的外部硬件电路支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

本数字温度计设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55°C~125°C，最大分辨率可达0.0625°C。

DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用3线制与单片机相连，减少了外部电路，具有低成本和易使用的特点。

按照系统设计功能的要求，确定系统由3个模块组成：主控制器（P89C51）、测温电路（DS18B20）、显示电路(四数码管及其驱动电路)和温度值高低报警电路（两红绿二极管）。

三．系统硬件电路的设计3.1 PHILIPS P89C51RD2HBP3.1.1 P89C51概述：P89C51采用高性能的静态80C51采用了静态设计可提供很宽的操作频率范围频率可降至0,可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式空闲模式冻结CPU,但RAM 定时器串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM 的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作由于设计是静态的,时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复,分别包含128 字节和256 字节RAM 32 条I/O 口线3 个16 位定时/计数器6 输入4 优先级嵌套中断结构1 个串行I/O 口可用于多机通信I/O 扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路,设计由先进CMOS 工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器全部支持12 时钟和6 时钟操作.3.1.2 P89C51特性:采用80C51 核心处理单元，含4k 字节FLASH，128字节RAM,布尔处理器，全静态操作，12 时钟操作可选6 个时钟通过软件或并行编程器,存储器寻址范围64K 字节ROM 和64K 字节RAM,电源控制模式:时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式两个工作频率范围：6时钟模式时为0~20MHz，12时钟模式时为0~33MHz其他：扩展温度范围，双数据指针，3 个加密位，4 个中断优先级，6 个中断源，4 个8 位I/O 口，全双工增强型UART，帧数据错误检测，自动地址识别，3 个16 位定时/计数器T0 T1 标准80C51 和增加的T2 捕获和比较，可编程时钟输出，异步端口复位，低EMI (禁止ALE 以及6 时钟模式)，掉电模式可通过外部中断唤醒3.1.3 P89C51管脚图（见图3-1）图3-13.2 数字温度传感器DS18B203.2.1 DS18B20的主要特性：1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

基于FPGA的DS18B20控制程序设计及其Verilog实现(汇编)

基于FPGA的DS18B20控制程序设计及其Verilog实现(汇编)

基于FPGA的DS18B20控制程序设计及其Verilog实现一，总体介绍DS18B20是一个1-wire总线，12bit的数字温度传感器，其详细的参数这里不做具体的介绍，只讨论其基于Verilog的控制程序的设计。

实际上，对DS18B20的控制，主要是实现1-wire总线的初始化，读，写等操作，然后再根据DS18B20的控制要求，实现对其控制的verilog逻辑。

在1-Wire总线上，有一个master，可以有1个或者多个slave。

而对于FPGA+DS18B20的温度测试设计来讲，需要在FPGA上实现一个1-Wire总线的master。

DS18B20作为1-wire 总线的slave设备存在，可以有一个或者多个，不过为了简化程序，例程里假定只存在一个DS18B2020。

1-Wire总线的操作形式上相对简单，但操作本身相对却又比较复杂。

用Verilog做控制程序设计时，可以采用多层次嵌套的状态机来实现。

二，FPGA + DS18B20的硬件设计硬件的设计非常简单，只需要将DS18B20的DQ与FPGA的一个IO连接，并加4.7K左右的上拉电阻就可以了。

VDD和VPU可以为3.0~5.0V。

这里我们参照FPGA本身的IO电压，选择3.3V。

另外要注意的一点是，由于DQ的数据是双向的，所以FPGA的该IO要设定为inout类型。

三，1-Wire总线的基本操作及Verilog实现。

根据1-Wire总线的特点，可以把1-Wire总线的操作归结为初始化，单bit读操作，单bit写操作等最基础的几种。

下面分别是几种基本操作的介绍和verilog实现。

由于DS18B20的时序操作的最小单位基本上是1us，所以在该设计中，全部采用1MHz的时钟。

1. 初始化初始化实际上就是1-wire总线上的Reset操作。

由master发出一定长度的初始化信号。

Slave 看到该初始化信号后，在一定时间内发出规定长度的响应信号，然后初始化操作就结束了。

实验报告DS18B20温度检测控制

实验报告DS18B20温度检测控制

实训五 DS18B20温度检测控制实训一、实训目的1.温度传感器电路的工作原理。

2.了解温度控制的基本原理。

3.掌握一线总线接口的使用。

二、实训说明1.DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

DS18B20测量温度范围为 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的管脚排列如下:DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校训码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。