基于Nios平台的光信号采集片上系统设计

    关键词：片上系统 光纤光栅 光信号采集 Nios

引言

一项很有发展前景的新技术-纤维光学及光纤光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）技术，已经被应用于温度及形变在线测量中。FBG传感器的特征就是具有良好的稳定性、可靠性。除此之外，它还具有基于光纤传感器的一些共有优点，如对电磁的不敏感性、尺寸小、传感器和数据获取装置之间距离可以很远；因而能克服传统的温度和形变传感器（如热电偶和形变测量器）的很多缺点，如重量、硬度方面的缺陷以及对环境变化干扰的抵抗能力差等。
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    本文主要介绍对FBG传感器信号的快速获取方法，重点介绍基于FPGA的Altera公司的Excalibur开发板，设计一个片上嵌入式测量系统，用它来获取光信号。与目前具有同样功能的其它测量系统相比，它具有灵活、稳定、易维护、高效率等优点。本测量系统的硬件开发包括，使用Altera Excalibur开发板配置生成一个嵌有Nios处理器的“片上”测量系统，以及使用CCD和高速ADC设计光电信号的转换和采集电路；软件开发包括，在Apex EP20K FPGA中时序信号的Verilog实现，使用C语言对光电信号的获取。

1 系统结构

测量系统由以下几部分组成：光学系统、放置被测物体内的光纤光栅（FBG）和信号采集处理部分。其中的光学系统包括光源和分光仪，使用高亮度的激光发生器作为光源，用于产生入射被测物体内的光纤的光波。它的功率大于1mW，光频谱位于808～858nm，入射后其中某一波长的光波被光栅反射回来，并进入分光仪。分光仪是由若干面反射镜和全息光栅组成，主要作用是对光波进行光学处理后，使光波能够准确投射在CCD上，将光信号转换成电信号，便于信号的采集和处理。系统中信号采集处理部分是由CCD线列传感器ADC转换器以及Altera ExCalibur开发板组成。它的作用是将投射在CCD上的光信号先变为模拟电信号，而后通过ADC将信号再转换成数字量信号，然后通过Altera's Excalibur开发板上的片上Nios嵌入式系统，对这些数字量信号进行采集和处理，得到相应的温度值和应变值，以便完成整个测量过程。系统框架示意图如图1所示。

2 光纤光栅（FBG）传感器工作原理

光纤光栅（FBG）传感器是光纤传感器的一种。它不仅可以用于静态信号，还可以用于动态信号的采集，例如温度、形变和压力等。

以下结合图2介绍光纤光栅（FBG）的工作原理。

光纤光栅（FBG）传感器的工作原理就是用某一波长的光信号来表示我们希望采集的物理量。光纤中的光栅可以被看作是一个“滤波器”。根据光栅本身的物理特性，进入光纤的光波的某一波长部分被光栅反射回来，这一波长的光波就被从入身的光波中“滤除”了。这样，我们希望采集的物理量就被“调制”成了这一波长的光信号。

图3 缓冲接口电路

    假设光栅的反射系数为neff，光栅之间的几何距离为dB，通过以下公式得出被反射回的光波的波长λB=2×neff×dB。机械应力将改变光栅之间的几何距离，而温度的变化将改变光栅的反射系数。可以试想，在已知温度T0和已知压力ε0条件下，反射波长为λB0，那么，可以通过检测未知温度T1和未知应力ε1所对应反射波长λ1与λB0之间的波长偏移，来计算得到此刻的温度T1和应力ε1，计算公式如下：

其中光栅的相关常系数c1、c2，由光栅的校准过程所决定。

应力ε1=(λ1-λB0)/[（1-Peff）]×λB0

其中光栅常系数的Peff是光栅光塑常系数。

3 CCD图像传感器的选择