摘要：介紹基于altera excalibur平臺(tái)的光信號(hào)采集片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)地分析片上系統(tǒng)各個(gè)組成部分的工作原理。作為一個(gè)新型的測(cè)量系統(tǒng)，它具有靈活、穩(wěn)定、高效率等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：片上系統(tǒng) 光纖光柵 光信號(hào)采集 nios

引言

一項(xiàng)很有發(fā)展前景的新技術(shù)-纖維光學(xué)及光纖光柵（fbg，fiber bragg grating）技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于溫度及形變?cè)诰�測(cè)量中。fbg傳感器的特征就是具有良好的穩(wěn)定性、可靠性。除此之外，它還具有基于光纖傳感器的一些共有優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)電磁的不敏感性、尺寸小、傳感器和數(shù)據(jù)獲取裝置之間距離可以很遠(yuǎn)；因而能克服傳統(tǒng)的溫度和形變傳感器（如熱電偶和形變測(cè)量器）的很多缺點(diǎn)，如重量、硬度方面的缺陷以及對(duì)環(huán)境變化干擾的抵抗能力差等。

本文主要介紹對(duì)fbg傳感器信號(hào)的快速獲取方法，重點(diǎn)介紹基于fpga的altera公司的excalibur開發(fā)板，設(shè)計(jì)一個(gè)片上嵌入式測(cè)量系統(tǒng)，用它來獲取光信號(hào)。與目前具有同樣功能的其它測(cè)量系統(tǒng)相比，它具有靈活、穩(wěn)定、易維護(hù)、高效率等優(yōu)點(diǎn)。本測(cè)量系統(tǒng)的硬件開發(fā)包括，使用altera excalibur開發(fā)板配置生成一個(gè)嵌有nios處理器的“片上”測(cè)量系統(tǒng)，以及使用ccd和高速adc設(shè)計(jì)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和采集電路；軟件開發(fā)包括，在apex ep20k fpga中時(shí)序信號(hào)的verilog實(shí)現(xiàn)，使用c語言對(duì)光電信號(hào)的獲取。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)由以下幾部分組成：光學(xué)系統(tǒng)、放置被測(cè)物體內(nèi)的光纖光柵（fbg）和信號(hào)采集處理部分。其中的光學(xué)系統(tǒng)包括光源和分光儀，使用高亮度的激光發(fā)生器作為光源，用于產(chǎn)生入射被測(cè)物體內(nèi)的光纖的光波。它的功率大于1mw，光頻譜位于808～858nm，入射后其中某一波長(zhǎng)的光波被光柵反射回來，并進(jìn)入分光儀。分光儀是由若干面反射鏡和全息光柵組成，主要作用是對(duì)光波進(jìn)行光學(xué)處理后，使光波能夠準(zhǔn)確投射在ccd上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，便于信號(hào)的采集和處理。系統(tǒng)中信號(hào)采集處理部分是由ccd線列傳感器adc轉(zhuǎn)換器以及altera excalibur開發(fā)板組成。它的作用是將投射在ccd上的光信號(hào)先變?yōu)槟M電信號(hào)，而后通過adc將信號(hào)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，然后通過altera's excalibur開發(fā)板上的片上nios嵌入式系統(tǒng)，對(duì)這些數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行采集和處理，得到相應(yīng)的溫度值和應(yīng)變值，以便完成整個(gè)測(cè)量過程。系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示。

2 光纖光柵（fbg）傳感器工作原理

光纖光柵（fbg）傳感器是光纖傳感器的一種。它不僅可以用于靜態(tài)信號(hào)，還可以用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集，例如溫度、形變和壓力等。

以下結(jié)合圖2介紹光纖光柵（fbg）的工作原理。

光纖光柵（fbg）傳感器的工作原理就是用某一波長(zhǎng)的光信號(hào)來表示我們希望采集的物理量。光纖中的光柵可以被看作是一個(gè)“濾波器”。根據(jù)光柵本身的物理特性，進(jìn)入光纖的光波的某一波長(zhǎng)部分被光柵反射回來，這一波長(zhǎng)的光波就被從入身的光波中“濾除”了。這樣，我們希望采集的物理量就被“調(diào)制”成了這一波長(zhǎng)的光信號(hào)。

圖3 緩沖接口電路

假設(shè)光柵的反射系數(shù)為neff，光柵之間的幾何距離為db，通過以下公式得出被反射回的光波的波長(zhǎng)λb=2×neff×db。機(jī)械應(yīng)力將改變光柵之間的幾何距離，而溫度的變化將改變光柵的反射系數(shù)�？梢栽囅�，在已知溫度t0和已知壓力ε0條件下，反射波長(zhǎng)為λb0，那么，可以通過檢測(cè)未知溫度t1和未知應(yīng)力ε1所對(duì)應(yīng)反射波長(zhǎng)λ1與λb0之間的波長(zhǎng)偏移，來計(jì)算得到此刻的溫度t1和應(yīng)力ε1，計(jì)算公式如下：

其中光柵的相關(guān)常系數(shù)c1、c2，由光柵的校準(zhǔn)過程所決定。

應(yīng)力ε1=(λ1-λb0)/[（1-peff）]×λb0

其中光柵常系數(shù)的peff是光柵光塑常系數(shù)。

3 ccd圖像傳感器的選擇

為了方便系統(tǒng)對(duì)fbg輸出的光信號(hào)進(jìn)行處理，必須將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，我們采用光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器未完成這方面的工作。在本系統(tǒng)中，因?yàn)榘l(fā)光源的波譜范圍