基于FPGA和以太网接口的光栅解调应用

摘要: 光纤光栅的传感信息是采用波长编码的方式进行的,解调的关键就是把传感信息从波长编码中完整地解调出来。文中介绍的光栅解调系统采用F - P 滤波器对ASE 光源进行扫描; 采用FPGA 作为控制核心; 采用DM9000A 完成网络接口设计,在FPGA 内部实现了对光栅传感信号质心解调算法的程序设计和以太网接口控制程序的设计,FPGA 具有多通道高速同步解算的能力,在对F - P 滤波器500 Hz 的扫描速率下,很好地实现了光纤光栅波长的同步实时解算。解调系统的解调精度可达到2 pm 左右。

0 引言
各类光纤光栅传感器中,准分布式光纤Bragg 光栅( FBG) 传器阵列应用最为广泛,其特点主要在于以反射光中心波长( Bragg 波长) 为测量量,不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响。光纤布拉格光栅作为波长调制型传感器,将被测信息转化为布拉格光栅中心波长的移动,通过从测得的光信号中解调出中心波长漂移,就可实现对被测信息的测量。而目前对光栅波长随着外界被测物理量微小变化的检测,最常用的方法包括边缘滤波器法、可调谐滤波器法、以及基于可调谐半导体激光器或扫描光纤激光器的解调方法等,信号处理方法又包括直接比较法、质心法( 又叫功率加权法) 、高斯拟合法等,同时还有结合数字滤波的解调方法等[1]。设计一种基于以扫描光纤激光器设计的光栅传感系统,将信号用12 位A/D 采集模块采入计算机,通过高性能FPGA 可编程器件实现质心法信号处理,然后通过网口把解算结果输出到PC 机并加以显示。

1 系统总体设计
光纤光栅解调系统主要由传感光路与FPGA 采集处理电路2 部分组成,如图1 所示。

图1 光纤光栅解调系统组成

其主要工作原理: 在由FPGA 控制板产生的锯齿波及ASE光源驱动下,由F - P 滤波器构成的扫描光纤激光器发出激光,激光器波长的扫描通过在滤波器上加由FPGA 产生原始三角波控制D/A 输出的高压三角波实现。其输出的光经光纤耦合器分成2 份,1份用于实时校准,用带波长标记的FP 标准具实现扫描激光波长的实时校准[2],保证波长重复精度,其输出的光直接接到光电探测器( PD) ; 1 份用于光栅解调通道。在光栅解调通道,将传感光栅的反射光耦合到PD。各探测器输出的信号由A/D 转换器量化后直接由FPGA 进行质心法波长解调算法处理,处理后得到的数据再通过以太网接口传输到计算机进行进一步的解算、存储和显示。

2 质心法波长检测原理
质心原理[3]是根据力矩平衡原理推导出来的,即密度均匀物体各点的质量对某一轴产生的力矩和,等于其所有质量集中在某一特定位置时对该轴产生的力矩,该特定位置就是物体的质心,可表示为式( 1) :

3 系统设计的FPGA 实现

FPGA 采集处理电路的硬件组成如图2 所示。

图中,PGA 硬件电路主要完成LVDS 接口的处理、算法的实现、FIFO 的控制、时钟管理模块的处理、三角波信号生成以及以太网的控制等。而FPGA 控制、解算模块是设计中的重要环节,它控制着信号的质心解算、以太网接口等。

图2 FPGA 采集处理电路硬件组成

3. 1 质心法的设计与实现
质心法实时解算模块电路主要完成在每个扫描周期内对A/D 实测数据的实时判断与解算功能。质心法的关键是设置每个通道的阈值,只有选取合适的阈值才能较为准确地找出峰值起点,同时降低测试信号底部噪声所带来的起点误判。系统上电后,首先由比较器对A/D 值与阈值进行实时对比,当大于阈值时启动解算过程,小于超过N 个值时停止解算,同时给出中断标志,并由中断处理器完成最后的数据整理与缓存,中断处理程序主要完成解算结果数据、帧头标志的中断写FIFO 功能; 解算结果包括起始值、累加和( 式( 2) 中的分母部分) 、乘积累加和( 式( 2) 中的分子部分) 。图3 和图4 分别为质心法累加与乘积累加求和状态流程图和中断处理流程图。

图3 质心法累加与乘积累加求和状态流程图

图4 解算结果数据输出中断处理流程图

3. 2 以太网控制的实现
系统上电后,FPGA 通过总线配置DM9000AEP[4]内部寄存器,完成DM9000AEP 的初始化。随后,DM9000AEP 进入数据收发等待状态。当FPGA 向以太网发送数据时,FPGA 启动以太网发送程序,将解调数据发送到DM9000AEP,完成数据发送过程。当DM9000AEP 接收外部网络送来的以太网数据时,网络工作站把控制指令按照一定的帧格式组帧发送到以太网,DM9000AEP 接收到发给自己的以太网帧并通知FPGA 启动以太网接收程序,FPGA 将相应的数据从DM9000AEP 的接收FIFO 读出,完成数据接收过程。

FPGA 的控制程序分为3 部分: 以太网控制芯片的初始化部分,数据包发送和数据包接收。图5 给出了以太网数据包收发流程图。

图5 数据包收发流程

4 系统验证
4. 1 试验数据的采集
FPGA 输出三角波驱动电压数字量,经D/A 数模转换后变成模拟量,对F-P 滤波器进行扫描,FPGA 输出的驱动电压V与F-P 滤波器输出的窄带光波λ 存在一一对应的关系。F-P滤波器输出的光耦合器分成2 份,一份经过传感光栅反射,一份经过标准具。其反射光和标准具输出的光强与驱动电压的相对关系如图6 所示。

图6 光强与驱动电压相对关系图

虽然FPGA 输出驱动电压V 与F - P 滤波器输出的窄带光波λ 存在一一对应的关系,但由于时间和环境的变化,其对应关系也会发生相应的变化,因此在每次测量时都要实时的确定出其对应关系。采用标准具的输出波长对V - λ 曲线进行标定,并将其实时的发送到上位机,以便准确的进行传感光栅布拉格波长的计算。

4. 2 质心法计算波长
在试验中,光纤光栅传感阵列是由烧制在同一段光纤上的1 540. 78 nm 和1 551. 87 nm 两个波段的光纤光栅组成。在调整好F-P 滤波器的驱动电压以后,FPGA 采集处理电路将采集到得传感光信号和标准具的光信号进行处理来获得传感光信号的布拉格波长。采用FPGA 质心算法实现波峰检测算法,具体步骤如下:
( 1) FPGA 采集处理电路分别将两个光路的( V,I) 数据组进行放大后输入A/D 采样电路部分;

( 2) FPGA 把两路A/D 采样得到的数据组,根据预设置的阀值,确定计算的起始点和结束点,并进行质心算法的解算,然后把解算结果通过以太网接口输出到上位机;

( 3) 上位机接收到解算后的数据后,对两路光信号的结算结果分别进行处理,标准具光路根据标准具布拉格波长中MARK 点的位置来确定V - λ 关系,然后传感光路再根据标准具的V - λ 关系来算出各个传感光栅的布拉格波长,并将结果显示出来。

4. 3 试验结果
在整个实验过程中,D/A 实际产生的F - P 调谐滤波器三角波调制信号的频率为500 Hz,A/D 芯片在每个调制周期内对应光信号的实际采样率为30 MHz,即每个波形周期时间内的采样点接近60 000个。试验结果如图7 所示,图7 给出了在常温条件下,光栅不受任何应力的情况下,双光栅信号的解算结果。可以看出质心法波长解算结果的波长值的波动范围在2 pm 左右,具有很高的可靠性。

图7 解算结果

5 结束语
波峰检测是光纤布拉格光栅传感技术的核心,因为波长检测的精度直接影响到整个测量系统的精度。简单阐述了质心法波峰检测方法,并从理论和实验两个方面进行了说明。系统的主要控制器采用Virtex - 4 系列FPGA,它有多达200 000 个逻辑单元,在控制及数字处理方面有独特的优点。而采用以太网接口进行数据传输,可以达到很高的传输速率。采用基于以太网接口和FPGA 的光栅解调系统具有解算速度快、解算精度高等特点,可广泛应用于光纤光栅传感领域。

作者:马游春,王军辉,李锦明 来源:仪表技术与传感器2013 年第2 期