基于SoPC的雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任全會(huì),王學(xué)力

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州450052）

近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，激光測量位移技術(shù)在大氣測量、環(huán)境檢測、國防建設(shè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光回饋測量位移技術(shù)是一種新興的而且發(fā)展很快的測量技術(shù)，此種技術(shù)具有分辨率高、結(jié)構(gòu)簡單和易準(zhǔn)直的優(yōu)點(diǎn)。目前國際上很多都在研究半導(dǎo)體激光器的光回饋系統(tǒng)，然而半導(dǎo)體激光器只能輸出單偏振光，這樣的位移方向很難辨別，所以分辨率也不高。而本文研究的光回饋系統(tǒng)是以雙頻激光器為光源，可以發(fā)出兩垂直偏振光，而兩路光強(qiáng)信號(hào)就能很好地辨識(shí)位移方向。本文利用SoPC技術(shù)和數(shù)字式細(xì)分技術(shù)研究出了高分辨率位移測量系統(tǒng)，精度可以達(dá)到納米級(jí)。

1 雙頻激光回饋位移測量原理

激光器諧振腔內(nèi)的光束、輸出光在外腔來回一次返回諧振腔的光束，以及激光器輸出光在外腔來回兩次返回諧振腔的光束三種光束共同干涉決定了激光器光強(qiáng)。總的激光器的光強(qiáng)如式(1)所示：

其中,A(t)是光波電矢量的幅值；c是光在真空中的速度；ν是激光器頻率；n是激光器增益介質(zhì)的折射率；θ1和 θ2是由外腔的非準(zhǔn)直而引起的相位差；L是激光器的外腔長度；l是激光器的諧振腔長度；r1、r2、r3是三個(gè)反射鏡的反射率。

根據(jù)雙頻激光回饋理論，在弱回饋的情況下，經(jīng)過棱鏡分光后的回饋光束可以形成兩束光，此兩束光的表達(dá)式為：

其中Ip和Ic分別是平行光和垂直光在光回饋時(shí)的光強(qiáng)，Ip0和Ic0是無光回饋時(shí)的光強(qiáng);ζ是回饋波動(dòng)因子;φ為光束在外腔往返一次引起的相位差;2θ為兩束光往返通過而引起的相位差。兩束光信號(hào)在單次回饋時(shí)可以計(jì)算為：

2 基于SoPC激光測位移系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于SoPC開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行位移測量系統(tǒng)的開發(fā),系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)包括雙頻激光回饋系統(tǒng)、移相電阻鏈五細(xì)分電路、電壓比較器（LM393）、A/D轉(zhuǎn)換電路、在FPGA上實(shí)現(xiàn)的 SoPC系統(tǒng)、存儲(chǔ)器（Flash芯片和SDRAM芯片）、EPCS4和 TFT-LCD。其中 SoPC系統(tǒng)是核心，由其完成整個(gè)位移測量系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理,將系統(tǒng)處理所得數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示設(shè)備TFT-LCD[2]。

2.2 移相電阻鏈五細(xì)分電路

電阻鏈五細(xì)分電路使用SJ0205專用芯片，可以實(shí)現(xiàn)對源信號(hào)進(jìn)行五細(xì)分。正弦信號(hào)和余弦信號(hào)經(jīng)過整形后為電阻鏈細(xì)分做準(zhǔn)備，把整形后的正弦信號(hào)進(jìn)行一次反相，這樣就形成了3路相位差依次相差90°的正弦波。再利用電阻鏈五細(xì)分專用芯片SJ0205進(jìn)行整形，把三個(gè)正弦信號(hào)相位依次移動(dòng)18°，通過過零比較器就能得到10路方波信號(hào)，這10路相位依次相差18°的信號(hào)分成兩組，這兩組中的每組信號(hào)的相位差是36°，經(jīng)過組合邏輯把一個(gè)正弦波周期劃分為5個(gè)方波周期，這樣就實(shí)現(xiàn)了五細(xì)分[3]。

2.3 SoPC系統(tǒng)模塊

在QuartusⅡ和 SoPC Builder環(huán)境下完成 SoPC系統(tǒng)的定制。系統(tǒng)芯片采用Altera公司的cyclone IV GX型FPGA。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

經(jīng)過五細(xì)分電路得到的兩路正交方波信號(hào)進(jìn)入SoPC系統(tǒng)內(nèi)，通過SoPC系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)四細(xì)分，并分離出代表正、負(fù)方向的計(jì)數(shù)脈沖,把此脈沖信號(hào)送入24位計(jì)數(shù)器,實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)。然后再判別兩路信號(hào)的極性和絕對值大小,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算[4]。

2.4 四細(xì)分及辨別電路系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)圖

頂層設(shè)計(jì)圖如圖3所示,主要由四細(xì)分辨向模塊、選擇器、可逆計(jì)數(shù)器以及濾波器模塊組成。經(jīng)過此系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理與計(jì)算模塊。將信號(hào)輸入到可逆計(jì)數(shù)器得到的整體仿真波形如圖4所示。 其中a和b是兩路正交信號(hào)，相位差 90°。如果a信號(hào)超前b信號(hào)90°時(shí)，計(jì)數(shù)器是加計(jì)數(shù)，正向位移； 反過來 a信號(hào)落后b信號(hào)90°時(shí)計(jì)數(shù)器是減計(jì)數(shù)，為反向位移。

2.5 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)經(jīng)過四細(xì)分及辨別電路處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊。處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行512點(diǎn)采樣，然后通過傅里葉變換可以求出信號(hào)的相位差，最后得到位移值。使用Verilog HDL語言對處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用QuartusⅡ進(jìn)行仿真。處理器的原理圖如圖5所示。

2.6 A/D設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器采用高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS2807，最高采樣時(shí)鐘50 MS/s。高速運(yùn)放AD811用于提供一定的輸入信號(hào)的增益，以匹配輸入電壓范圍。A/D轉(zhuǎn)換器的硬件電路如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊原理圖

3 誤差分析

因?yàn)樾盘?hào)幅值受外界條件如電源、速度、溫度、環(huán)境振動(dòng)等影響,所以直接運(yùn)算得到的位移量不穩(wěn)定。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算之前取正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的比值，這樣可以得到一個(gè)正切函數(shù)(也可能是余切函數(shù))：

從式(6)中可以看出此函數(shù)可以消去經(jīng)常波動(dòng)的回饋信號(hào)的幅值V,但是確定的位移值還存在。所以可以消除因?yàn)榉挡▌?dòng)對測試結(jié)果的影響[5]。

通過FPGA判別兩路信號(hào)的絕對值的大小和極性，把一個(gè)周期自動(dòng)分為8個(gè)等分度的區(qū)域。FPGA通過判別信號(hào)所在的區(qū)域，來進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理。總體使函數(shù)值在0～1之間變化,并且用0～π/4間的函數(shù)值表示。在存儲(chǔ)器中固化50個(gè)反正切函數(shù)表，以便用FPGA查詢，確定相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的相位ωt。50個(gè)細(xì)分點(diǎn)分別被50個(gè)正切值所對應(yīng)。所以在8個(gè)象限內(nèi)的細(xì)分?jǐn)?shù)就是50×8=400細(xì)分。設(shè)單位細(xì)分?jǐn)?shù)為x,任意區(qū)域內(nèi)的ωt對應(yīng)的位置是y,ωt對應(yīng)的存儲(chǔ)單元地址決定x,把通過SoPC系統(tǒng)算出的y合并到細(xì)分脈沖中，再通過TFTLCD顯示出被測的位移值：

其中ΔL0是被測目標(biāo)起始時(shí)刻的小數(shù)位移值，ΔL是被測目標(biāo)停止時(shí)對應(yīng)的小數(shù)位移值。通過判別回饋信號(hào)的象限和所在區(qū)域查反函數(shù)表實(shí)現(xiàn)精細(xì)分，并且和四細(xì)分峰值計(jì)數(shù)相結(jié)合[6]。這樣不但提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度還同時(shí)提高了細(xì)分倍數(shù)。通過這種細(xì)分方法，大數(shù)位移當(dāng)量為79.1 nm,分辨率達(dá)到了0.791 nm。

4 測試結(jié)果和結(jié)論

在有效范圍內(nèi)對任意預(yù)設(shè)的位移量使用本系統(tǒng)進(jìn)行測試，測量的結(jié)果和使用激光干涉儀ZLM700的測量結(jié)果進(jìn)行比較，測試結(jié)果如表1所示。本系統(tǒng)的測試結(jié)果與使用激光干涉儀ZLM700結(jié)果相吻合，分辨率達(dá)到了預(yù)期的0.791 nm。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)利用雙頻激光回饋原理實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的正交性和余弦性，采用數(shù)字式細(xì)分技術(shù)，設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路，使測試系統(tǒng)的分辨率達(dá)到了0.791 nm，實(shí)現(xiàn)了高精度的位移測量。充分利用SoPC設(shè)計(jì)思路和FPGA內(nèi)部硬件資源，在FPGA內(nèi)部構(gòu)架NIOSⅡ系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)測量位移具有分辨率高、成本低、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足高精度位移測量的需要，具有很好的市場前景。

本系統(tǒng)還可以在以下兩方面進(jìn)一步的改進(jìn)和完善：(1)系統(tǒng)可以在對信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)運(yùn)用定點(diǎn)FFT的運(yùn)算，這樣可使測量精度大幅提高；(2)可以研究使用FIR濾波電路的軟件實(shí)現(xiàn)。

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[5]陸敏恂,劉暢,周愛國,等.數(shù)字化細(xì)分方法在 EPS扭矩傳感器中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(3):697-700.

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