基于阵列波导光栅(AWG)的心动检测系统的研究

摘要

心动信号是随心脏的收缩和舒张产生的信号，通过对心动信号的检测与分析能够了解人体的健康状况，发现心脑血管疾病。智能服装是信息学科、材料学科、纺织学科及其它相关学科结合与交叉的产物。它能够监测人体外部环境或内部状态的变化，具有携带方便、实时监测等特点。研究具有心动信号检测功能的智能服装对心血管疾病的及时发现与治疗具有很高的应用价值。
　　本文对基于阵列波导光栅的心动检测系统进行了研究，在分析了光纤光栅传感原理和阵列波导光栅工作原理，以及比较了光纤光栅各解调方法的基础上，提出了一种基于阵列波导光栅(AWG)的心动检测系统设计方案;利用阵列波导光栅设计了系统的光路，包括ASE光源、光隔离器、耦合器、阵列波导光栅和光电探测器;以ARM芯片STM32F103ZET6为核心设计了系统解调电路的硬件，包括光电转换电路、信号调理电路、ARM处理器电路、电源电路和串口通信电路;采用C语言编写了ARM处理器电路的软件，包括主程序、波长解调算法子程序、A/D采样子程序、串口通信子程序和D/A转换子程序;提出了一种AWG解调通道自动选择的方法，实现了解调通道的自动选择，提高了心动检测系统的检测精度;在分析了阵列波导光栅各补偿方法的基础上，提出了一种基于补偿光栅的阵列波导光栅温度补偿方法，实现了对阵列波导光栅中心波长温度漂移的补偿，并进行了实验验证;搭建了基于阵列波导光栅的心动检测系统实验平台，进行了实验，结果表明，该系统能够利用光纤光栅传感器实现动静态信号的解调和心动信号的检测，解调误差仅为5pm，达到了设计要求。
　　本文所设计的基于阵列波导光栅的心动检测系统能够实现心动信号的检测，具有结构简单、成本低、解调速度快等优点，对具有心动信号检测功能的智能服装的研究具有重要的理论意义和很高的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 光纤光栅解调技术

1．2．2 阵列波导光栅的补偿方法

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 课题主要研究内容

第二章 光纤光栅传感与阵列波导光栅的波长解调原理及特性

2．1 光纤光栅传感原理及应变特性

2．1．1 光纤光栅传感原理

2．1．2 光纤光栅的应弯特性

2．2 阵列波导光栅的波长解调及其温度漂移对解调的影响

2．2．1 阵列波导光栅的结构及工作原理

2．2．2 基于阵列波导光栅的波长解调原理

2．2．3 AWG温度漂移对解调结果的影响

2．3 本章小结

第三章 基于阵列波导光栅的心动检测系统设计方案

3．1 心动检测系统的总体设计方案

3．2 AWG的温度补偿方法

3．3 光路设计方案

3．3．1 光路设计方案

3．3．2 光路各器件的选取

3．4 解调电路设计方案

3．4．1 解调电路的硬件设计方案

3．4．2 ARM处理器电路的软件设计方案

3．5 本章小结

第四章 心动检测系统解调电路设计

4．1 解调电路的硬件设计

4．1．1 光电转换电路

4．1．2 调理电路

4．1．3 ARM最小系统

4．1．4 ARM最小系统硬件电路

4．1．5 电源电路

4．1．6 串口通信电路

4．2 ARM处理器电路的软件设计

4．2．1 主程序设计

4．2．2 波长解调算法子程序设计

4．2．3 A／D采样子程序设计

4．2．4 串口通信子程序

4．2．5 D／A转换子程序设计

4．3 本章小结

第五章 实验研究及结果分析

5．1 通道选择实验及结果分析

5．2 温度补偿实验及结果分析

5．3 静态波长解调实验及结果分析

5．4 振动检测实验及结果分析

5．5 心动检测实验及结果分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况

致谢