摘要：介紹基于Altera Excalibur平臺的光信號采集片上系統的設計，詳細地分析片上系統各個組成部分的工作原理。作為一個新型的測量系統，它具有靈活、穩定、高效率等特點。
關鍵詞：片上系統 光纖光柵 光信號采集 Nios
引言
一項很有發展前景的新技術-纖維光學及光纖光柵（FBG，Fiber Bragg Grating）技術，已經被應用于溫度及形變在線測量中。FBG傳感器的特征就是具有良好的穩定性、可靠性。除此之外，它還具有基于光纖傳感器的一些共有優點，如對電磁的不敏感性、尺寸小、傳感器和數據獲取裝置之間距離可以很遠；因而能克服傳統的溫度和形變傳感器（如熱電偶和形變測量器）的很多缺點，如重量、硬度方面的缺陷以及對環境變化干擾的抵抗能力差等。
本文主要介紹對FBG傳感器信號的快速獲取方法，重點介紹基于FPGA的Altera公司的Excalibur開發板，設計一個片上嵌入式測量系統，用它來獲取光信號。與目前具有同樣功能的其它測量系統相比，它具有靈活、穩定、易維護、高效率等優點。本測量系統的硬件開發包括，使用Altera Excalibur開發板配置生成一個嵌有Nios處理器的“片上”測量系統，以及使用CCD和高速ADC設計光電信號的轉換和采集電路；軟件開發包括，在Apex EP20K FPGA中時序信號的Verilog實現，使用C語言對光電信號的獲取。
1 系統結構
測量系統由以下幾部分組成：光學系統、放置被測物體內的光纖光柵（FBG）和信號采集處理部分。其中的光學系統包括光源和分光儀，使用高亮度的激光發生器作為光源，用于產生入射被測物體內的光纖的光波。它的功率大于1mW，
光頻譜位于808～858nm，入射后其中某一波長的光波被光柵反射回來，并進入分光儀。分光儀是由若干面反射鏡和全息光柵組成，主要作用是對光波進行光學處理后，使光波能夠準確投射在CCD上，將光信號轉換成電信號，便于信號的采集和處理。系統中信號采集處理部分是由CCD線列傳感器ADC轉換器以及Altera ExCalibur開發板組成。它的作用是將投射在CCD上的光信號先變為模擬電信號，而后通過ADC將信號再轉換成數字量信號，然后通過Altera's Excalibur開發板上的片上Nios嵌入式系統，對這些數字量信號進行采集和處理，得到相應的溫度值和應變值，以便完成整個測量過程。
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信號，還可以用于動態信號的采集，例如溫度、形變和壓力等。
光纖光柵（FBG）傳感器的工作原理就是用某一波長的光信號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“濾波器”。根據光柵本身的物理特性，進入光纖的光波的某一波長部分被光柵反射回來，這一波長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“調制”成了這一波長的光信號。
假設光柵的反射系數為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λB=2×neff×dB。機械應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。可以試想，在已知溫度T0和已知壓力ε0條件下，反射波長為λB0，那么，可以通過檢測未知溫度T1和未知應力ε1所對應反射波長λ1與λB0之間的波長偏移，來計算得到此刻的溫度T1和應力ε1，計算公式如下：
其中光柵的相關常系數c1、c2，由光柵的校準過程所決定。
應力ε1=(λ1-λB0)/[（1-Peff）]×λB0
其中光柵常系數的Peff是光柵光塑常系數。
3 CCD圖像傳感器的選擇
為了方便系統對FBG輸出的光信號進行處理，必須將其轉換成電信號，我們采用光電信號轉換器未完成這方面的工作。在本系統中，因為發光源的波譜范圍是808～858nm，所以我們選用了波譜范圍為200～1100nm的2048個像素的灰度線列CCD圖像傳感器ILX511B。
CCD將光信號轉換成模擬電信號，每個像素產生一個模擬電信號，這樣CCD每次進行光電轉換就產生2048個模擬電信號；同時，它將這2048個像素位置串行地“封裝”成一個有效數據字段，可以在外加時鐘同步信號（CLK）和芯片使讀端（ROG）作用下，從CCD中讀出數據。外加的同步時鐘信號由2087個時鐘脈沖組成，在每個時鐘脈沖作用下，一個數據位被讀出。這2087個數據位由以下幾部分組成：首部偽數據字段（33個數據位）、有效數據字段（2048個數據位）、尾部偽數據字段（6個數據位）。需要注意的是，為了提高電磁兼容性，CCD的工作方式應該選擇為采樣一保持方式；同時，CCD在上電后處于內部電路初始化階段，為了避免得到錯誤的數據，最初22 500個時鐘脈沖用于初始化CCD，不要在此階段讀出數據。
4 ADC接口設計與Altera Nios平臺
4.1 ADC接口設計
經過CCD傳感器轉換輸出的模擬量，必須通過ADC轉換器轉換成數字信號，這樣系統才可以處理這些信號。因為CCD的動態范圍是48.5dB，根據公式
ADC精度≥動態范圍（dB）/20×log2
可以計算得到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，根據以下公式計算ADC的速度：
fs=1×2MHz（CCD的最大時鐘頻率）=2MHz（采樣和保持方式）。
通過上述計算和分析，得到所需ADC的兩個主要特性指標，即精度至少要9位，采樣的速率必須至少2Msps。
現在，有很多ADC轉換器可以應用于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。
在設計ADC接口電路時，要注意以下一些問題。首先，由于LTC1402內部輸入信號的“保持-采樣”電路的速率達到80MHz，所以，外部的噪聲和干擾都可以通過LTC1402的輸入端對A/D轉換產生影響。根據LTC1402數據手冊的要求，我們解決的方法是，在LTC1402的輸入端加上一階的濾波電路，將輸入信號的頻率限制在一定的范圍內。其次，CCD的輸出對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的負載可能隨ADC輸入端內部阻抗的變化而變化。基于以上兩點考慮，我們在CCD和ADC之間設計了緩沖電路，用于阻抗匹配和濾波。緩沖接口電路如圖3所示。
由圖3可計算ADC的輸入最高頻率：
fg=1/[(2×π×R5×C3)]=10.3MHz。
4.2 Altera Nios平臺
在細致分析系統的特點后，我們決定選擇專門針對SOPC應用的Altera
