基于nios平台的光信号采集片上系统设计

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1、基于Nios平台的光信号采集片上系统设计

2、第1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，FiberBraggGrating）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，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E

3、xcalibur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AlteraExcalibur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ApexEP20KFPGA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

4、射被测物体内的光纤的光波。它的功率大于1mHz（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

5、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/[(2×π×R5×C3)]=10.3MHz。4.2AlteraNios平台在细致分析系统的特点后，我们决定选择专门针对SOPC应用的AlteraExcalibur开发套件。开发套件包括以下部分：*Nios处理器以及外围接口；*QuartusII开发

6、软件；*GNDUro编译器；*基于APEXEP20K200EFPGA的开发板；*相关的开发例程。图5时钟和控制信号发生器的仿真时序我们使用集成在QuartusII中的SOPCBuilder工具来配置生成片上系统。SOPCBuilder是一个功能强大的基于图形界面的片上系统的定义和定制工具，可以在短时间内完成用户定制的SOPC设计。根据应用的需要，从SOPCBuilder库中选择IP模块、存储器、外围接口和处理器，并且配置生成一个高集成度的SOPC系统，因而选取以下一些模块组成片上系统：Nios32bitCPU、BootMonitorROM、municationUART、debuggingU

7、ART、Timer、ButtonPIO、UserPIO、LCDPIO、LEDPIO、DMA、SPI、SevenSegmentPIO、ExternalRAMBus（AvalonTriStateBridge）、ExternalRAMInterface、ExternalFlashInterface。同时，SOPCBuilder自动产生一些必需的仲裁逻辑来协调系统中以上各个部件的工作，我们将系统的工作频率设为33MHz。定制完片上系统的硬件后，SOPCBuilder还为编写操作这些片上硬件的软件代码提供了一个软件开发环境，这个软件环境包括语言头文件、外围接口的驱动以及实时操作系统的内核，极大地方便

8、了软件的开发。5系统实现以下分两部分来分析和介绍：①在ApexEP20KFPGA中，使用Verilog编写时钟和控制信号发生器用于驱动CCD和ADC，并且协调两者的工作；②使用C语言编写程序，通过SOPCBuilder配置的SPI接口读取ADC输出的数据。5.1时钟和控制信号发生器使用Verilog编写时钟和控制信号发生器，用于产生驱动CCD和ADC的时钟和控制信号。时钟发生器的工作原理是：使用频率为33MHz的系统时钟