光纖液位傳感器信號采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘 要： 光纖液位傳感器信號采集系統(tǒng)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到系統(tǒng)感知的外界信息能否不失真地傳回中央控制系統(tǒng)?？紤]到光纖液位傳感器對外界信息感知的高精度、低時延、低溫漂、大量程的基本要求，設(shè)計(jì)一種自動轉(zhuǎn)換量程的光信號采集電路。系統(tǒng)利用程控放大器CD4051對信號進(jìn)行判斷，并能夠智能選擇量程，確定放大電路的反饋電阻。通過調(diào)理電路放大、濾波、跟隨后對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳遞給FPGA主控芯片分析處理。測試結(jié)果表明，該光信號采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 nW～10 mW范圍內(nèi)的光信號的采集，線性度好，誤差小于±0.96%，精度高，適用于光纖傳感領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： FPGA； A/D轉(zhuǎn)換； 光纖液位傳感器； 光功率

中圖分類號： TN911.74?34； TN79 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）16?0079?04

Abstract： The merits of the signal acquisition system of optical fiber liquid level sensor directly affect whether the system perceptive external information can pass back to the central control system without distortion. Since the optical fiber liquid level sensor has the basic demands for high precision， low delay， low temperature offset and wide range of the external information perception， an optical signal acquisition circuit was designed， which can converse the range automatically. In the system， the programmable amplifier CD4051 is used to judge the signal， and select the range intelligently to determine the feedback resistor of it. In the paper， the A/D conversion for the signal is performed after signal amplifying， filtering and following through the conditioning circuit， and the converted digital signal is transmitted to the main control chip FPGA for analyzing and processing. The test results show that the optical signal acquisition system can collect the optical signal within 1 nW～10 mW， has good linearity and high precision， and its error is less than ± 0.96%， which is suitable for the optical fiber sensing field.

Keywords： FPGA； A/D conversion； optical fiber liquid level sensor； optical power

0 引 言

光纖液位傳感技術(shù)作為世界科技領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于人們的日常交通、工業(yè)運(yùn)輸和化工生產(chǎn)中，尤其在大型儲油罐及石油運(yùn)輸罐液面高度檢測領(lǐng)域，光信號采集系統(tǒng)的需求也隨之增長。就目前而言，大量程光信號采集系統(tǒng)在國內(nèi)仍然匱乏，國外引進(jìn)的設(shè)備過于昂貴，且配件種類多，操作困難[1?2]。因此，設(shè)計(jì)一個大范圍變化的光信號采集系統(tǒng)，已成當(dāng)務(wù)之急。為了提高光信號采集系統(tǒng)的檢測范圍，本文提出了基于CD4051程控芯片的大量程光信號采集系統(tǒng)，將1 nW～10 mW分成4個量程范圍，根據(jù)所測信號范圍智能選擇程控芯片的放大系數(shù)，以滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入要求，從而實(shí)現(xiàn)大量程光信號的采集。

1 系統(tǒng)框圖

本文設(shè)計(jì)的高精度微弱光信號檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖見圖1。光信號采集系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊（程控模塊、濾波模塊）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊和LCD顯示模塊組成。光信號通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電信號后，程控芯片以電信號范圍自動選擇量程，然后利用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7682實(shí)現(xiàn)通道的選擇，F(xiàn)PGA控制AD7682進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并采集其編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，最終將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換及程控電路設(shè)計(jì)

2.1.1 電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是檢測660 nm波長的光信號，其功率范圍為1 nW～10 mW。本次選用的光電二極管為Hamamatsu公司生產(chǎn)的S1336?44BK大面積Si光電二極管，其檢測光波長為400～1 100 nm，波長在660 nm時靈敏度最高可達(dá)0.35 A/W，滿足本次設(shè)計(jì)的要求。光電二極管具有兩種工作模式，光伏模式和光電導(dǎo)模式[3?5]。光伏模式下，二極管處于零偏置狀態(tài)，沒有暗電流，噪聲低，線性度好，適用于高精度測量。而光電導(dǎo)模式下，二極管需要很高的偏置，暗電流大，噪聲電流大，其線性度較差，適用于高速場合。本次設(shè)計(jì)的目的主要是實(shí)現(xiàn)微弱光信號的檢測，因此采用光伏模式，如圖2所示。

前置放大器采用Analog Devices公司設(shè)計(jì)研發(fā)的AD549運(yùn)算放大器，該器件的偏置電流、輸入噪聲電壓低，且價格低廉，因此滿足本次高精度，低成本的設(shè)計(jì)目的[6]。在一般的應(yīng)用中，可以通過前置放大器AD549搭建的反饋電阻R1完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。電容C1（10 pF）與反饋電阻R1并聯(lián)，構(gòu)成低通濾波電路，其上限截止頻率為[12πR1C1，] 通過濾波有效降低系統(tǒng)噪聲，同時還可以防止電路震蕩。另外加入滑動變阻器POT1進(jìn)行AD549前置放大的調(diào)零。而在本文中，單單的一個反饋電阻沒法滿足大量程范圍下光信號的采集，這需要通過一些特殊的設(shè)定來完成這個設(shè)計(jì)目標(biāo)。

因此，利用程控芯片放大器CD4051來控制量程的選擇，將大量程細(xì)分化。整體信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示。CD4051為美國RCA生產(chǎn)的單端雙向8選l數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，它利用VDD，VSS和VEE三個端口來控制輸入模擬信號，以幅值為4.5～20 V的數(shù)字信號來控制峰值為20 V的模擬信號[7]。其中AO3402為N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管。由于輸入光功率大時，CD4051通道中的導(dǎo)通電阻太小而沒法準(zhǔn)確的被選擇，因此利用場效應(yīng)管AO3402來代替模擬開關(guān)中導(dǎo)通電阻小的通道。

在本次設(shè)計(jì)中，前置放大器設(shè)計(jì)為電流靈敏放大器，與光電二極管構(gòu)成一個跨導(dǎo)放大器。AD549的反向輸入和輸出接入CD4051的反饋電阻上，每一路的反饋電阻根據(jù)量程范圍不同而不同，依次為200 Ω，2 000 Ω，2 MΩ，20 MΩ。FPGA根據(jù)輸入信號的大小來控制A，B，C三個引腳以及兩個場效應(yīng)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)量程的智能轉(zhuǎn)換。

光電二極管的輸出光電流I輸入到運(yùn)算放大器輸入端，由AD549的理論特性知，其輸出電壓為[5]：

[Vo=IR] （1）

式中，光電流I是由光電二極管響應(yīng)度R及輸入光功率P決定的[1]：

[I=RP] （2）

考慮到本次設(shè)計(jì)中輸入光功率范圍為1 nW～10 mW，將其劃分為4個量程：1 nW～500 nW，50 nW～500 μW，500 μW～7 mW，7 mW～10 mW；對應(yīng)反饋電阻分別為：20 MΩ，2 MΩ，2 kΩ，200 Ω，所選擇的反饋電阻不同，其放大倍數(shù)也不相同。

2.1.2 調(diào)理電路的噪聲分析與處理

為了實(shí)現(xiàn)高精度的光信號采集，必須考慮放大電路噪聲對結(jié)果的影響。而放大電路的噪聲主要來自兩個方面：調(diào)理電路噪聲和外部噪聲[4]。調(diào)理電路噪聲包括光電二極管的熱噪聲（寬帶噪聲）、散粒噪聲、暗電流和溫漂等。為了減少調(diào)理電路的噪聲，采用光電二極管的光伏模式，有效抑制了熱噪聲、散粒噪聲；而且選用的光電二極管S1336?44BK的暗電流[8]很小為50 pA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 nA，可以忽略；另外電路中均采用低噪聲的金屬膜電阻器，損耗較小的云母電容和瓷介電容來降低噪聲。外部噪聲主要來源有電磁干擾、電源波動等。為了提高穩(wěn)定性，均采用了濾波處理。

另外，利用運(yùn)算放大器OP07對信號進(jìn)行濾波，該放大器具有很小的輸入失調(diào)電壓（0.7 mV/℃）以及電流（12 pA/℃），適用于低頻微弱信號放大。為了防止信噪比降低，且提高信號的穩(wěn)定性，OP07僅僅作為濾波跟隨，而不用于信號的放大，因此其反饋電阻為0 Ω，見圖3。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

選擇一個合理的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，需要考慮到幾個因素[9?11]：一是為了保證信號不失真，采樣率不應(yīng)過低；二是為了提高系統(tǒng)的精度，必須選擇高轉(zhuǎn)換精度、低非線性誤差的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。因此，本次設(shè)計(jì)采用的ADI公司的AD7682，其是一款16位無失碼串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其采樣率為250 KSPS，非線性誤差[12]低至±0.4 LSB。

A/D轉(zhuǎn)換電路原理如圖4所示，AD7682的IN0～I(xiàn)N3為4路模擬量輸入端口，本次使用的是IN0通道。FPGA通過SCK引腳給AD7682提供工作所需的時鐘，并通過DIN對A/D內(nèi)部14位配置寄存器寫入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)AD輸入端模式選擇、輸出通道的選擇等配置操作；SDO引腳為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，與SCK同步；CNV為采樣啟動控制端，當(dāng)時鐘信號為上升沿時，A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過延時后通過SDO引腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2.3 FPGA控制及顯示

輸入的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，需要將采樣的數(shù)據(jù)接收和緩存處理。本設(shè)計(jì)選用XILINX公司的XC3S400來接收AD7682輸出的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采樣和邏輯控制?？刂茊卧獙/D輸出的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部RAM中，并寫入FPGA內(nèi)部的FIFO中[13?14]。

本次設(shè)計(jì)中設(shè)置了開關(guān)控制鍵、功率顯示控制鍵等。其中電源開關(guān)的功能是在開通時提供5 V電壓時，同時給FPGA一個復(fù)位操作。輸出結(jié)果顯示控制鍵的作用是將檢測的信號以功率的形式顯示在屏幕上，即dBm形式。設(shè)計(jì)中采用了LCD1602液晶顯示器，其是一種點(diǎn)陣型液晶模塊，它有若干個點(diǎn)陣字符位，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符[11，13?14]。顯示電路如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證整個系統(tǒng)的可行性，使用美國Thorlabs公司的LED?M660F1光源作為監(jiān)測光源，美國Thorlabs公司的光功率計(jì)PM100USB標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，其測量精度為±l%，輸出光功率范圍為1 nW～20 mW。光源波長為660 nm， 處于光電二極管的波長監(jiān)測范圍內(nèi)。當(dāng)波長為660 nm時，光電二極管的波長響應(yīng)為0.35 A/W。假設(shè)光源功率為[P0]，則光電二極管的光電流（單位為A/W）如下：

[I=P0×0.35] （3）

通過式（1）、式（3）計(jì)算得到系統(tǒng)的理論輸出電壓[Vo]應(yīng)該為：

[Vo=P0R×0.35] （4）

為了顯示方便，采用dBm格式顯示，它表示每分貝毫瓦，其與功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

[x=10lg（P1 mW）] （5）

通過改變光源功率，得到如表1的數(shù)據(jù)，與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)值與理論值能夠很好的吻合，其誤差小于±0.96%，具有很高的精度。另外，對實(shí)測值以及理論值進(jìn)行相關(guān)性擬合，得到相關(guān)系數(shù)R2=0.994 8，接近于1，具有很好的線性相關(guān)性。系統(tǒng)實(shí)測功率與標(biāo)準(zhǔn)表輸出功率數(shù)據(jù)擬合圖如圖6所示。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種高精度光信號檢測系統(tǒng)，以FPGA作為硬件設(shè)計(jì)的核心，利用程控芯片CD4051進(jìn)行量程自動轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)在大量程（1 nW～10 mW）范圍內(nèi)光信號的采集，結(jié)合AD549運(yùn)算放大器所設(shè)計(jì)的前置放大器、可編程邏輯器件的靈活性和數(shù)字信號處理器的高速信號處理能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)誤差小于±0.96%的高精度大量程光信號檢測系統(tǒng)，且成本低廉，穩(wěn)定性高。另外，對實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其線性相關(guān)系數(shù)為0.994 8，接近于1，兩者之間具有很好的線性關(guān)系。綜上所述，系統(tǒng)整體滿足設(shè)計(jì)的要求，在光纖傳感領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。在接下來的工作，將進(jìn)一步研究完善用戶界面，擴(kuò)大系統(tǒng)波長響應(yīng)寬度；不斷向小型化、智能化方向發(fā)展，以提高適應(yīng)能力。

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