基于Nios平臺(tái)的光信號(hào)采集片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   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，F(xiàn)iber 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)。可以試想，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)光源的波譜范圍是808～858nm，所以我們選用了波譜范圍為200～1100nm的2048個(gè)像素的灰度線列CCD圖像傳感器ILX511B。

CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，每個(gè)像素產(chǎn)生一個(gè)模擬電信號(hào)，這樣CCD每次進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生2048個(gè)模擬電信號(hào)；同時(shí)，它將這2048個(gè)像素位置串行地“封裝”成一個(gè)有效數(shù)據(jù)字段，可以在外加時(shí)鐘同步信號(hào)（CLK）和芯片使讀端（ROG）作用下，從CCD中讀出數(shù)據(jù)。外加的同步時(shí)鐘信號(hào)由2087個(gè)時(shí)鐘脈沖組成，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，一個(gè)數(shù)據(jù)位被讀出。這2087個(gè)數(shù)據(jù)位由以下幾部分組成：首部偽數(shù)據(jù)字段（33個(gè)數(shù)據(jù)位）、有效數(shù)據(jù)字段（2048個(gè)數(shù)據(jù)位）、尾部偽數(shù)據(jù)字段（6個(gè)數(shù)據(jù)位）。需要注意的是，為了提高電磁兼容性，CCD的工作方式應(yīng)該選擇為采樣一保持方式；同時(shí)，CCD在上電后處于內(nèi)部電路初始化階段，為了避免得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，最初22 500個(gè)時(shí)鐘脈沖用于初始化CCD，不要在此階段讀出數(shù)據(jù)。

4 ADC接口設(shè)計(jì)與Altera Nios平臺(tái)

4.1 ADC接口設(shè)計(jì)

經(jīng)過CCD傳感器轉(zhuǎn)換輸出的模擬量，必須通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這樣系統(tǒng)才可以處理這些信號(hào)。因?yàn)镃CD的動(dòng)態(tài)范圍是48.5dB，根據(jù)公式

ADC精度≥動(dòng)態(tài)范圍（dB）/20×log2

可以計(jì)算得到ADC精度≥8.06，所以選擇ADC的精度必須是9位或9位以上的；同時(shí)，根據(jù)以下公式計(jì)算ADC的速度：

fs=1×2MHz（CCD的最大時(shí)鐘頻率）=2MHz（采樣和保持方式）。

通過上述計(jì)算和分析，得到所需ADC的兩個(gè)主要特性指標(biāo)，即精度至少要9位，采樣的速率必須至少2Msps。

現(xiàn)在，有很多ADC轉(zhuǎn)換器可以應(yīng)用于CCD圖像處理。在綜合考慮了諸多因素后，我們選擇Linear的串行ADCLTC1402。

在設(shè)計(jì)ADC接口電路時(shí)，要注意以下一些問題。首先，由于LTC1402內(nèi)部輸入信號(hào)的“保持-采樣”電路的速率達(dá)到80MHz，所以，外部的噪聲和干擾都可以通過LTC1402的輸入端對(duì)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響。根據(jù)LTC1402數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求，我們解決的方法是，在LTC1402的輸入端加上一階的濾波電路，將輸入信號(hào)的頻率限制在一定的范圍內(nèi)。其次，CCD的輸出對(duì)于外界的阻抗變化比較敏感，如果將ADC的輸入端與CCD的輸出直接相連，則CCD的負(fù)載可能隨ADC輸入端內(nèi)部阻抗的變化而變化?；谝陨蟽牲c(diǎn)考慮，我們?cè)贑CD和ADC之間設(shè)計(jì)了緩沖電路，用于阻抗匹配和濾波。緩沖接口電路如圖3所示。

由圖3可計(jì)算ADC的輸入最高頻率：

fg=1/[(2×π×R5×C3)]=10.3MHz。

4.2 Altera Nios平臺(tái)

在細(xì)致分析系統(tǒng)的特點(diǎn)后，我們決定選擇專門針對(duì)SOPC應(yīng)用的Altera Excalibur開發(fā)套件。開發(fā)套件包括以下部分：

*Nios處理器以及外圍接口；

*Quartus II開發(fā)軟件；

*GNDUro編譯器；

*基于APEX EP20K200E FPGA的開發(fā)板；

*相關(guān)的開發(fā)例程。

圖5 時(shí)鐘和控制信號(hào)發(fā)生器的仿真時(shí)序

    我們使用集成在QuartusII中的SOPC Builder工具來配置生成片上系統(tǒng)。SOPC Builder是一個(gè)功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)的定義和定制工具，可以在短時(shí)間內(nèi)完成用戶定制的SOPC設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用的需要，從SOPC Builder庫(kù)中選擇IP模塊、存儲(chǔ)器、外圍接口和處理器，并且配置生成一個(gè)高集成度的SOPC系統(tǒng)，因而選取以下一些模塊組成片上系統(tǒng)：Nios 32bit CPU、Boot Monitor ROM、Communication UART、debugging UART、Timer、Button PIO、User PIO、LCD PIO、LED PIO、DMA、SPI、Seven Segment PIO、External RAM Bus（Avalon TriState Bridge）、External RAM Interface、External Flash Interface。

同時(shí)，SOPC Builder自動(dòng)產(chǎn)生一些必需的仲裁邏輯來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中以上各個(gè)部件的工作，我們將系統(tǒng)的工作頻率設(shè)為33MHz。定制完片上系統(tǒng)的硬件后，SOPC Builder還為編寫操作這些片上硬件的軟件代碼提供了一個(gè)軟件開發(fā)環(huán)境，這個(gè)軟件環(huán)境包括語言頭文件、外圍接口的驅(qū)動(dòng)以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，極大地方便了軟件的開發(fā)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以下分兩部分來分析和介紹：①在ApexEP20K FPGA中，使用Verilog編寫時(shí)鐘和控制信號(hào)發(fā)生器用于驅(qū)動(dòng)CCD和ADC，并且協(xié)調(diào)兩者的工作；②使用C語言編寫程序，通過SOPC Builder配置的SPI接口讀取ADC輸出的數(shù)據(jù)。

5.1 時(shí)鐘和控制信號(hào)發(fā)生器

使用Verilog編寫時(shí)鐘和控制信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)CCD和ADC的時(shí)鐘和控制信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器的工作原理是：使用頻率為33MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，作為時(shí)鐘發(fā)生器的輸入和同步售，用于產(chǎn)生所需的CCD和ADC驅(qū)動(dòng)的時(shí)鐘和控制信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的要求和CCD以及ADC芯片特性，將產(chǎn)生的CCD時(shí)鐘頻率設(shè)為1MHz；同時(shí)把ADC的時(shí)鐘頻率設(shè)為33MHz。在時(shí)鐘發(fā)生器中，還需對(duì)產(chǎn)生CCD和ADC兩個(gè)高速設(shè)備的時(shí)鐘和控制信號(hào)進(jìn)行匹配，使得兩者能夠正常地工作。

現(xiàn)在詳細(xì)地分析這兩個(gè)高速設(shè)備如何完成時(shí)序的匹配。由于系統(tǒng)中的CCD和ADC都是依靠外加時(shí)鐘同步的高速設(shè)備，因此，這兩個(gè)設(shè)備之間的時(shí)序的匹配對(duì)于能否獲取正確有效的數(shù)據(jù)來說至關(guān)重要。為了使兩個(gè)設(shè)備協(xié)同工作，首先要分析每個(gè)設(shè)備所需的外加時(shí)鐘和控制兩個(gè)外加信號(hào)，分別是CCD_ROG和CCD_CLK。CCD_ROG信號(hào)使得CCD的輸出數(shù)據(jù)有效，也就是每次從CCD讀取數(shù)據(jù)時(shí)，都要先給CCD_ROG一個(gè)低電平，將CCD置光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一位位地輸出。ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換也需要兩個(gè)外加信號(hào)，分別是ADC_CONV和ADC_CLK。ADC_CONV信號(hào)使ADC芯片開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，每次進(jìn)行轉(zhuǎn)換前都要給ADC_CONV一個(gè)高電平；同時(shí)，轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸出在ADC_CLK信號(hào)的同步完成。

由于需要先從CCD光電轉(zhuǎn)換器讀出模擬數(shù)據(jù)，所以，要通過CCD_ROG給CCD一個(gè)長(zhǎng)度為t1(t1=4000ns)的低電平。在CCD_ROG重新變?yōu)楦唠娖胶螅珻CD就在CCD_CLK信號(hào)的同步下輸出數(shù)據(jù)了，在每個(gè)CCD_CLK作用下輸出一個(gè)模擬量數(shù)據(jù)。CCD每次輸出的2087個(gè)模擬量分別由33個(gè)首部偽數(shù)據(jù)字段、2048個(gè)有效數(shù)據(jù)和6個(gè)尾部偽數(shù)據(jù)字段組成。其中的2048個(gè)有效數(shù)據(jù)和首部偽數(shù)據(jù)字段的后20個(gè)數(shù)據(jù)就是我們希望得到的，所以從第14個(gè)數(shù)據(jù)到第2081個(gè)數(shù)據(jù)中的每個(gè)模擬量，都通過ADC_CONV（ADC_CONV的高電平寬度為4ns），給出一個(gè)高電平啟動(dòng)ADC；同時(shí)，在ADC_CLK的作用下，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換過程和數(shù)字量輸出。圖4、圖5是時(shí)鐘和控制信號(hào)發(fā)生器的程序流程和仿真時(shí)序圖。

    5.2 SPI接口的編程

ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，Nios通過SPI接口讀入這些信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。我們通過Quartus II中的SOPC Builder為Nios核配置SPI接口。在我們的系統(tǒng)中，將SPI配置為從設(shè)備。軟件通過訪問存儲(chǔ)器中映射的5個(gè)16位的寄存器來控制和讀寫SPI接口。讀入的數(shù)據(jù)通過MOSI引腳逐位進(jìn)入移位寄存器。通過移位寄存器的移位和緩沖后，一幀數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器rxdata，同時(shí)將狀態(tài)寄存器的rrdy位置1，通過訪問rxdata就得到一幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被讀取后，rrdy位自動(dòng)置回0。如果前一幀數(shù)據(jù)還未從rxdata讀取，后一幀數(shù)據(jù)就會(huì)將原數(shù)據(jù)覆蓋，造成錯(cuò)誤，同時(shí)將狀態(tài)寄存器的ROE（Read Overwrite Error）位置成1。SPI接口共有4個(gè)引腳，分別是MISO（Master Input Slave Output）、MOSI（Master Output Slave Input）、SCLK（同步時(shí)鐘）和SS_n。當(dāng)SS_n為低電平時(shí)，從設(shè)備可以在SCLK同步作用下讀入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中的SPI接口是從設(shè)備，所以只使用MOSI、SCLK和SS_n三根引腳。圖6是Nios中SPI與ADC的接口示意圖。

從ADS的芯片特性可知，當(dāng)ADC_CONV在一個(gè)高電平的作用下，ADC開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC_CONV回復(fù)到電平后，因?yàn)镾S_n和ADC_CONV連在一起，所以Nios中的SPI就處于可以讀入數(shù)據(jù)的狀態(tài)了；同時(shí)，在ADC_SCK的作用下ADC輸出數(shù)據(jù)，而SPI也在相同的時(shí)鐘SCLK的作用下，通過MOSI讀入數(shù)據(jù)。為了能夠準(zhǔn)確得到數(shù)據(jù)，還要將SPI寄存器rxdata的位數(shù)設(shè)為13位。軟件中，我們將通過等待SPI寄存器的rrdy位的置位，來讀取rxdata中的數(shù)據(jù)，與此同時(shí)寄存器中roe的狀態(tài)決定此幀數(shù)據(jù)的讀取過程中是否存在數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。以下是相關(guān)的讀取數(shù)據(jù)的軟件代碼。

do{

//讀一行CCD數(shù)據(jù)

for(i=0；i<2069；i++){

//等待，直到準(zhǔn)備好

while(spi->np_spistatus&np_spistatus_rrdy_mask)==0)

;

//從SPI數(shù)據(jù)寄存器讀數(shù)據(jù)

c[i]=spi->np_spirxdata；

}

//讀覆蓋狀態(tài)

b=spi->np_spistatus&np_spistatus_roe_mask;

}while(b==8)；

結(jié)論

本系統(tǒng)經(jīng)過仿真測(cè)試，其功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并用HP邏輯分析儀驗(yàn)證了系統(tǒng)功能。