專利名稱：基于fpga的ccd光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，適用于光纖傳感技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
光纖光柵是近幾年來(lái)發(fā)展最為迅速的新型光無(wú)源器件之一，由于其具有光纖傳輸 系統(tǒng)的不帶電、抗射頻、抗電磁干擾、防燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓、耐電離輻射、重量輕、體積 小及大信號(hào)傳輸帶寬等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖光柵在傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)光纖光柵的波長(zhǎng)編碼信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵。光 纖光柵解調(diào)最直接的方法是利用光譜儀，這種解調(diào)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是造價(jià)太高、體積大， 僅適于實(shí)驗(yàn)室實(shí)用，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較低。為了用于實(shí)際工程中的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖光柵的 解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出了多種解調(diào)方法。有的解調(diào)方法很簡(jiǎn)單，但解調(diào)速度慢、 精度不高、不能進(jìn)行多點(diǎn)復(fù)用檢測(cè)；有的解調(diào)方法精度很高、能進(jìn)行多點(diǎn)復(fù)用檢測(cè)，但解調(diào) 方法復(fù)雜、成本太高。因此，高速度、高精度、動(dòng)靜態(tài)信號(hào)結(jié)合檢測(cè)、多點(diǎn)復(fù)用檢測(cè)和低成本 是光纖光柵解調(diào)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有光柵傳感解調(diào)方法的不足，提供一種 體積小巧、復(fù)用性強(qiáng)、解調(diào)高速的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案一種基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源的輸出接耦合器的第一 端，耦合器的第三端接傳感光柵的一端，傳感光柵的另一端接匹配液，耦合器的第二端接光 纖，光纖射出的光射向準(zhǔn)直反射鏡，經(jīng)光譜成像單元后，分成不同波長(zhǎng)的光并送入信號(hào)檢測(cè) 單元，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集處理單元進(jìn)行 采集處理。光譜成像單元采用反射式的成像系統(tǒng)，衍射光柵、準(zhǔn)直反射鏡在空間上平行擺放。信號(hào)檢測(cè)單元采用CCD器件，同時(shí)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量；分開(kāi)的光經(jīng)成像反射鏡成像 到CCD探測(cè)器上，進(jìn)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)采集處理單元采用可編程邏輯器件FPGA來(lái)設(shè)計(jì)CCD驅(qū)動(dòng)電路，用FPGA控制 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并利用FPGA的嵌入式CPU來(lái)采集處理數(shù)據(jù)；在CCD驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū) 動(dòng)下，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器采集放大，放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入處理器處理， 輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算分析獲得反射譜信息，確定各點(diǎn)的中心波長(zhǎng)的漂移量，完成傳 感波長(zhǎng)的解調(diào)。本實(shí)用新型的有益效果光譜成像單元采用反射式的成像系統(tǒng)，色差小、體積小、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，可進(jìn)行多通道的實(shí)時(shí)成像；信號(hào)檢測(cè)單元通過(guò)CCD探測(cè)器獲得光譜的 信息，將測(cè)量光譜線轉(zhuǎn)化成測(cè)量光斑所在像元位置，可以同時(shí)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；信號(hào)采集處理單元采用可編程邏輯器件FPGA設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)采 集處理電路，充分利用了 FPGA可編程特性及高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力 和解調(diào)速度，如果需要改變驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序，只需要對(duì)器件重新編程，而不需要改變硬件配置。

圖1 一種基于FPGA的CXD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)示意圖。圖2光譜成像單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖3CXD驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖4信號(hào)采集處理電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。如圖1所示，為一種基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源1的輸出 接耦合器的第一端21，耦合器的第三端23接傳感光柵3的一端，傳感光柵3的另一端接匹 配液4，耦合器的第二端22接光纖5 —端，接光纖5的另一端射出的光射向光譜成像單元中 的準(zhǔn)直反射鏡8。經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直反射鏡8反射后變成的平行光入射到衍射光柵7上，由于衍射光柵7的 分光作用，把不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，分開(kāi)的光經(jīng)成像反射鏡6成像到CCD9上；信號(hào)檢測(cè)單元采 用CCD9探測(cè)信號(hào)，通過(guò)CCD9實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)變成電信號(hào)；用FPGA15驅(qū)動(dòng)CCD9，在 C⑶驅(qū)動(dòng)電路10的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)AD放大器11采集放大，放大的信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換12后送入處理器13處理，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)14計(jì)算分析獲得反射譜信息，確 定各點(diǎn)的中心波長(zhǎng)的漂移量，完成傳感波長(zhǎng)的解調(diào)。當(dāng)從傳感光柵3反射回來(lái)的光的波長(zhǎng) 發(fā)生漂移時(shí)，經(jīng)過(guò)衍射光柵7的光的衍射角會(huì)發(fā)生變化，成像到(XD9上的位置也會(huì)發(fā)生變 化。通過(guò)測(cè)量光斑在(XD9上不同的成像位置，可以測(cè)得波長(zhǎng)的漂移量。如圖2所示，為基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的成像單元的結(jié)構(gòu)圖。光 譜成像單元采用反射式的成像系統(tǒng)，衍射光柵7、準(zhǔn)直反射鏡8在空間上平行擺放，使成像 光線和入射光線在空間上交疊，光譜的成像位置與衍射光柵7、準(zhǔn)直反射鏡8的位置在空間 上不發(fā)生干涉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，可進(jìn)行多通道的實(shí)時(shí)成像，適合于實(shí)際工程中的應(yīng)用。所述的衍射光柵7采用反射式的平面衍射光柵，制作工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；成像反 射鏡6采用成像凹面反射鏡，準(zhǔn)直反射鏡8采用準(zhǔn)直凹面反射鏡，反射鏡的制作相對(duì)比較容 易ο如圖3所示，為基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖。 CCD9時(shí)序脈沖信號(hào)是一組周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào)，它直接影響系統(tǒng)的信號(hào)處 理能力，CXD驅(qū)動(dòng)電路10的設(shè)計(jì)是(XD9應(yīng)用的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用FPGA15對(duì)(XD9進(jìn)行控制， 用硬件語(yǔ)言設(shè)計(jì)出CCD9的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通過(guò)時(shí)鐘分配到驅(qū)動(dòng)芯片，保證CCD9的正常工作。(XD9驅(qū)動(dòng)脈沖主要包括轉(zhuǎn)移脈沖SH、復(fù)位脈沖RS、采樣保持脈沖SP、鉗位脈沖CP、 時(shí)鐘相位脈沖Φ IE和Φ2Ε。外部有源晶振產(chǎn)生20ΜΗΖ的時(shí)鐘脈沖信號(hào)CLK輸入，RS、SP、 Φ IE和Φ2Ε輸出(XD9的復(fù)位、采樣保持、相位信號(hào)等。(XD9有5000個(gè)有效像元，還有76個(gè)虛假像元，一個(gè)SH積分周期至少需要5076個(gè)像元時(shí)鐘周期。CXD復(fù)位脈沖RS占空比為 1 3，它是0 7的循環(huán)計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)4和5之間為高電平，其余為低電平，高電平時(shí)占時(shí) 鐘脈沖3個(gè)周期，低電平占時(shí)鐘脈沖1個(gè)周期。轉(zhuǎn)移脈沖SH總共需要5076X20 = 101520 個(gè)時(shí)鐘脈沖，是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)8 15之間是高電平，其余均為低電平。鉗位 脈沖CP通過(guò)將復(fù)位脈沖RS延時(shí)即可獲得。所述的(XD9采用東芝公司包含5000個(gè)像元的TCD1501C線陣(XD，線陣CXD所含 像元數(shù)越多解調(diào)系統(tǒng)的分辨率越高；FPGA15采用ALTERA公司StratixII系列的高性能器 件 EP2S180F1508I4。如圖4所示，為基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的信號(hào)采集處理電路結(jié)構(gòu) 圖。AD放大器11對(duì)CCD9輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，提高有效信號(hào)的幅值，再送入A/D轉(zhuǎn)換芯 片12進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。FPGA15控制A/D轉(zhuǎn)換芯片12產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并與(XD9的時(shí)鐘脈沖 信號(hào)保持一致，保證CCD驅(qū)動(dòng)電路10和A/D轉(zhuǎn)換芯片12的同步工作。為提高系統(tǒng)的運(yùn)算 處理速度，在硬件上實(shí)行并行處理，將A/D轉(zhuǎn)換芯片12的轉(zhuǎn)換和CPU17的運(yùn)算同時(shí)進(jìn)行，A/ D轉(zhuǎn)換芯片12轉(zhuǎn)換的是下一幀的數(shù)據(jù)，而CPU17運(yùn)算的是上一幀的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙端口 RAM16，用于存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的地址總線和讀寫控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片12轉(zhuǎn)換后的 信號(hào)從雙端口 RAM16的一端寫入，同時(shí)還可以從另一端讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU17接收到串行總 線的命令數(shù)據(jù)后，CPU17從雙端口 RAM15讀出數(shù)據(jù)，并通過(guò)串行總線上傳到計(jì)算機(jī)14，處理 顯示數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有接收到命令數(shù)據(jù)，CPU17從雙端口 RAM16中讀出數(shù)據(jù)，保存到SRAM中 并進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)在顯示器上顯示。所述的運(yùn)算放大器11采用高速運(yùn)算放大器AD810，A/D轉(zhuǎn)換芯片12采用10位的 高采樣速率低功耗MAX1076，雙端口 RAM16采用Quartus II 7. 0的IP工具定制2048bit 宏功能塊LPM RAM, CPU 17采用Altera的NOIS II系列的嵌入式處理器，可以節(jié)省50%的 FPGA資源，計(jì)算性能提高了一倍。本實(shí)用新型所使用的器件均為市售器件。
權(quán)利要求一種基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，寬帶光源(1)的輸出接耦合器的第一端(21)，耦合器的第三端(23)接傳感光柵(3)的一端，傳感光柵(3)的另一端接匹配液(4)，耦合器的第二端(22)接光纖(5)，光纖(5)射出的光進(jìn)入光譜成像單元，分成不同波長(zhǎng)的光并送入信號(hào)檢測(cè)單元，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集處理單元進(jìn)行采集處理；其特征在于光譜成像單元采用反射式的成像系統(tǒng)，衍射光柵(7)、準(zhǔn)直反射鏡(8)在空間上平行擺放；光纖(5)射出的光射向準(zhǔn)直反射鏡(8)；信號(hào)檢測(cè)單元采用CCD(9)探測(cè)信號(hào)，用FPGA(15)驅(qū)動(dòng)CCD(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于成像 反射鏡(6)采用成像凹面反射鏡，衍射光柵(7)采用反射式的平面衍射光柵，準(zhǔn)直反射鏡 (8)采用準(zhǔn)直凹面反射鏡。
專利摘要本實(shí)用新型涉及基于FPGA的CCD光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)，適用于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)的寬帶光源(1)的輸出接耦合器的第一端(21)，耦合器的第三端(23)接傳感光柵(3)的一端，傳感光柵(3)的另一端接匹配液(4)，耦合器的第二端(22)接光纖(5)，光纖射出的光射向準(zhǔn)直反射鏡(8)，經(jīng)光譜成像單元后，分成不同波長(zhǎng)的光并送入信號(hào)檢測(cè)單元，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集處理單元進(jìn)行采集處理。光譜成像單元采用反射式的成像系統(tǒng)，衍射光柵(7)、準(zhǔn)直反射鏡(8)在空間上平行擺放。信號(hào)檢測(cè)單元采用CCD(9)探測(cè)信號(hào)，用FPGA(15)驅(qū)動(dòng)CCD。該系統(tǒng)色差小、體積小、便宜，能多點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G02F2/00GK201680848SQ201020169110
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者周倩, 寧提綱, 張振宇, 李晶, 胡旭東 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)