基于Nios平台的光信号采集片上系统设计.doc
《基于Nios平台的光信号采集片上系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于Nios平台的光信号采集片上系统设计.doc(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、摘要: 介绍基于Altera Excalibur平台的光信号采集片上系统的设计,详细地分析片上系统各个组成部分的工作原理。作为一个新型的测量系统,它具有灵活、稳定、高效率等特点。 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
2、,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。 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
3、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808858nm,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
4、信号再转换成数字量信号,然后通过Alteras 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
5、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B=2neffdB。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0条件下,反射波长为B0,那么,可以通过检测未知温度T1和未知应力1所对应反射波长1与B0之间的波长偏移,来计算得到此刻的温度T1和应力1,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1=(1-B0)/(1-Peff)B
6、0 其中光栅常系数的Peff是光栅光塑常系数。 3 CCD图像传感器的选择为了方便系统对FBG输出的光信号进行处理,必须将其转换成电信号,我们采用光电信号转换器未完成这方面的工作。在本系统中,因为发光源的波谱范围是808858nm,所以我们选用了波谱范围为2001100nm的2048个像素的灰度线列CCD图像传感器ILX511B。 CCD将光信号转换成模拟电信号,每个像素产生一个模拟电信号,这样CCD每次进行光电转换就产生2048个模拟电信号;同时,它将这2048个像素位置串行地“封装”成一个有效数据字段,可以在外加时钟同步信号(CLK)和芯片使读端(ROG)作用下,从CCD中读出数据。外加的
7、同步时钟信号由2087个时钟脉冲组成,在每个时钟脉冲作用下,一个数据位被读出。这2087个数据位由以下几部分组成:首部伪数据字段(33个数据位)、有效数据字段(2048个数据位)、尾部伪数据字段(6个数据位)。需要注意的是,为了提高电磁兼容性,CCD的工作方式应该选择为采样一保持方式;同时,CCD在上电后处于内部电路初始化阶段,为了避免得到错误的数据,最初22 500个时钟脉冲用于初始化CCD,不要在此阶段读出数据。 4 ADC接口设计与Altera Nios平台 4.1 ADC接口设计 经过CCD传感器转换输出的模拟量,必须通过ADC转换器转换成数字信号,这样系统才可以处理这些信号。因为CC
8、D的动态范围是48.5dB,根据公式 ADC精度动态范围(dB)/20log2 可以计算得到ADC精度8.06,所以选择ADC的精度必须是9位或9位以上的;同时,根据以下公式计算ADC的速度: fs=12MHz(CCD的最大时钟频率)=2MHz(采样和保持方式)。 通过上述计算和分析,得到所需ADC的两个主要特性指标,即精度至少要9位,采样的速率必须至少2Msps。 现在,有很多ADC转换器可以应用于CCD图像处理。在综合考虑了诸多因素后,我们选择Linear的串行ADCLTC1402。 在设计ADC接口电路时,要注意以下一些问题。首先,由于LTC1402内部输入信号的“保持-采样”电路的速率
9、达到80MHz,所以,外部的噪声和干扰都可以通过LTC1402的输入端对A/D转换产生影响。根据LTC1402数据手册的要求,我们解决的方法是,在LTC1402的输入端加上一阶的滤波电路,将输入信号的频率限制在一定的范围内。其次,CCD的输出对于外界的阻抗变化比较敏感,如果将ADC的输入端与CCD的输出直接相连,则CCD的负载可能随ADC输入端内部阻抗的变化而变化。基于以上两点考虑,我们在CCD和ADC之间设计了缓冲电路,用于阻抗匹配和滤波。缓冲接口电路如图3所示。 由图3可计算ADC的输入最高频率: fg=1/(2R5C3)=10.3MHz。 4.2 Altera Nios平台 在细致分析系
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 Nios 平台 信号 采集 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【二***】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【二***】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。