基于FPGA 的正弦相位调制干涉仪信号采集模组设计

刘俊岩，李昕聪，张启元，张烈山

（浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018）

数据采集模组是正弦相位调制激光干涉仪测量系统[1-3]的重要组成部分。正弦相位调制激光干涉仪配合相位生成载波解调算法[4-5]，可实现被测位移的解调。其信号解调机制要求同步采集激光干涉光电信号以及相位载波参考信号。目前，常选用NI 等公司的通用数据采集卡[6]完成干涉信号和参考信号的采集任务，这种方式成本很高，而且由于干涉信号存在较大的偏置，常常出现不能正确采集干涉信号的情况。

国内外学者很早就开始将FPGA 应用于各种不同的信号采集任务中，取得了较好的效果[7-12]。然而，目前针对正弦相位调制干涉仪的同步信号采集模组的设计与研究工作尚未见公开报道。

1 正弦相位调制干涉仪测振原理

正弦相位调制干涉仪探测固体表面微振动系统结构如图1 所示，单频激光器输出的偏振光经过1×2耦合器后被分为两束激光，分别称为测量光和参考光。测量光通过光纤准直器射入被测固体表面（该固体表面受到入射声波的作用产生微振动），此时其相位受到了固体表面微振动的调制；参考光受到相位调制器的作用，其相位生成了高频载波；测量光和参考光在分光镜汇合，形成光学混频，光电探测器将光学混频信号转换为电信号，再利用PGC 解调算法进行处理，经过滤波后最终获得被测微振动。

图1 正弦相位调制干涉仪测振原理图

2 双通道同步数据采集模组设计

由系统测量原理可知，测量光与参考光在光电探测器前发生干涉，并由光电探测器转换成模拟电信号输出。为了对干涉信号进行数字信号处理与分析并最终解调出被测振动信息，需要将干涉信号这个模拟量进行采集与数字量化，因此根据实际信号的需求与特点，设计了图2 所示的信号数据采集模组。该模组由信号预处理模块、同步双通道模数转换和存储模块、信号采集控制模块组成。

图2 信号数据采集模组构成

正弦相位调制干涉仪输出的干涉信号通过信号预处理电路进行直流偏置调节与放大处理，与载波信号同时输出至同步双通道数据采集模组，进入A/D 转换器进行数据转换，将模拟电信号转换成16 位数字量数据存储至SRAM 中，然后信号采集控制模块与SRAM 进行数据的读写交互操作，最后把数据通过串口传输至PC 上位机，供后续算法处理应用。

2.1 信号预处理电路的设计

实际干涉信号的幅值会根据测量条件的变化而变化，因此需要在光电探测器输出与同步双通道数据采集模块之间增加一个信号预处理电路：一方面，调节信号的偏置和幅值；另一方面，作为缓冲电路，增大输入阻抗，降低输出阻抗，使信号可以尽可能不失真地被同步双通道数据采集模块采样并转换。

基于上述信号特点分析，设计了图3 所示的由直流偏置调节电路与二级可调运算放大电路共同组成的干涉信号预处理电路。

图3 中二级可调信号放大电路由增益带宽积为0.6 MHz 的低失调电压运算放大器OP07 同相输入级联组成，因此综合两级电路可得到式（1）所示的运算放大倍数：

式中，AF为两级运算放大倍数，RP1与RP2分别为第一与第二级的可调反馈电阻，R2与R4分别为第一与第二级反相输入端与参考地间的电阻。

2.2 同步双通道数据采集模块设计

为了实现正弦相位调制干涉仪输出信号和参考信号的高速同步采集，设计了图4所示的基于AD4683的模数转换器电路。为了不失真地对信号进行采样，采用两个运算放大器构成电压跟随器。根据AD4683 的数据手册设计了AD4683 的外围电路，同时设计了SPI 通信接口，使AD4683 通过SPI 的通信总线协议与FPGA 进行数据交互。

图3 干涉信号预处理电路

根据被测振动信号的载波频率以及实际测量光与参考光共两路信号的测量要求，选取了ADI 公司型号为AD4683 的数模转换芯片。这是一款双通道伪差分输入的同步采样逐次逼近式ADC 芯片，其最高采样率可达500 kS/s，实际所需采样率为250 kS/s，因此，可以通过FPGA 合理配置采样时序实现双通道采样频率为250 kHz 的同步采样。

由于传统的监测方法和处理难度太大，而且效率较低，所以需要使用遥感技术进行大范围监测。遥感影像能真实反映调查区的实际情况，且不受交通和空间的限制。基于遥感技术的调查对于大区域范围来说具有优越性，可以节省人力物力。东川泥石流以其分布之广、规模之大、类型齐全、爆发猛烈而著名，以东川泥石流为研究对象具有一定的代表性，对其进行研究有利于掌握泥石流灾害规律及制定防灾减灾措施。但是遥感影像也有一定的局限性，遥感影像受天气影响比较大，云层会在影像上形成阴影，增加解译的难度，遥感影像在泥石流灾害解译中的最大弱点是缺少立体视觉。

伪差分输入有两个接口，一路输入正常采样信号，另一路作为参考端，接到信号的参考电位。该设计中参考电压是由基准电压源提供的2.5 V 参考电压，可以被准确量化的信号电压范围为0～2.5 V，因此，伪差分输入的参考端应该接至1.25 V 的稳压源。图4 所示的伪差分参考输入端电路由两级运算放大电路组成。

根据上述ADC 的选型与设计，实际需要对模拟量以不低于250 kS/s 的采样率进行数据采集，即每40 ns 采集一个数据。根据采用的设计方案，需要将数据利用FPGA 以串口通信的方式发往上位机。为保证数据不丢失，要求每次采样的数据发往上位机的通信时间小于4 μs。为了降低传输的出错率与设计复杂度，选用了ISIS公司的256 kB×16 bits的SRAM对采样的数据进行临时保存，并且该芯片的读写周期高达12 ns，可以满足在4 μs 的采样间隔内对数据进行存储。无需周期性刷新，可以便于FPGA 对采样所得数据进行读写操作，解决了数据采集与数据传输速率不匹配的问题。

2.3 信号采集控制模块设计

目前常用的数据采集系统一般使用单片机或DSP 来控制ADC、储存器以及其他外围电路完成数据采集工作，传统的数据采集系统由于受到处理器指令周期和处理速度等因素影响，无法满足多通道数据同步采集的要求[13-14]。与单片机或DSP相比，FPGA 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，适合用于信号采集控制模块设计。

综合考虑设计成本与控制需求，文中信号采集控制模块采用Xilinx Spartan 6 系列FPGA。根据实际同步双通道数据采集模块控制以及与上位机的交互需求，在ISE 开发平台下利用Verilog 硬件描述语言进行FPGA 内部逻辑门设计，并通过顶层模块综合，得到了图5 所示的顶层模块综合原理图。

图4 模数转换器电路原理图

从图5 中可以发现，在顶层模块下例化了四个子模块：Pll_Ip 模块调用了Xilinx 的时钟IP 核，其主要功能是对输入的外部25 MHz时钟进行倍频操作，输出稳定的50 MHz内部驱动时钟信号；AD4683_Control模块用于控制同步双通道数据采集模块上的AD4683数据转换芯片进行读写操作；Sram_Control 模块用于控制同步双通道数据采集模块上的SRAM 的写或读数据的操作；Uart_Control 模块主要功能是与上位机的串口进行数据交互[15]。

3 结果与讨论

3.1 数据采集模组采样同步性测试实验

为了验证所提出的基于FPGA 的信号采集模组双通道采样的同步性，对函数信号发生器输出的特定相差两路标准信号进行了实际采集。信号发生器发出两路信号的参数设计如表1 所示。

经过FPGA 数据采集模组的同步采集，将两路标准信号传输至上位机，最终得到的实际时域信号幅值与实际输入信号的幅值基本一致。

经过数据采集后，分析两路标准正弦信号，得出总谐波失真（THD）优于-28 dB，信噪失真比（SNDR）优于25.5 dB，证明了所设计的基于FPGA 的双通道数据采集模组采集信号的正确性。

3.2 正弦相位调制干涉仪振动测量实验

根据实验室条件搭建了正弦相位调制干涉仪测振系统，被测对象为扬声器发出的特定频谱特征的声波来激励薄板产生微弱振动。

He-Ne 激光器发出一路椭圆偏振光，首先通过一个偏振片将椭圆偏振光变为线偏振光，然后通过一个1/4 波片防止回光重新打入激光器。经过1/4 波片的线偏振光打到分光镜后分为两路，一路作为测量光打到被测平板上；一路作为参考光输入相位调制装置。由于平板表面会产生由于扬声器输出的声音引起的微弱振动，测量光入射到被测平板，该振动会对测量光进行调制，最后反射至光电探测器表面；参考光经过相位调制装置引入载波后，又经分光镜入射到光电探测器表面。最终测量光与参考光在光电探测表面发生干涉，光电探测器将干涉光信号转换为电信号。

图5 顶层模块综合原理图

表1 双通道输入信号参数

利用所设计研制的数据采集模组对干涉信号和载波参考信号进行采样，并通过串口传输至PC 机，最终在Matlab 中进行数据处理。

实验中，信号发生器输出峰峰值为500 mV 的300 Hz 正弦信号，经18.6 V 电源供电的功放驱动扬声器发出300 Hz 的声音，此时薄板会产生同频率的微弱振动；信号发生器产生30 kHz，峰峰值为5 V 的信号作为相位调制装置的驱动信号（即载波参考信号），也即干涉信号相位载波的频率为30 kHz。

对干涉信号和相位载波参考信号，经过FPGA数据采集模组进行信号采集，将采集数据存至指定文件夹，保存为文本文件，进而通过Matlab 对数据进行进制转换与换算，最终得到了干涉信号时域表示，如图6 所示。

图6 实测干涉信号时域图

可以看出，此时信号存在一个直流偏置，根据干涉信号的基本形式可知，这是干涉信号中的直流分量。经过前端信号预处理电路的放大与调偏，最终抬升到图6 中的电压偏置幅度，使得干涉信号输入电压可以满足数据采集的输入电压范围要求。在后续解调中直流偏置为无关量，因此将其滤除后可以得到图7 所示的干涉信号频率幅度谱。

图7 干涉信号频率幅度谱

从频谱中可以看出，信号集中分布在0 Hz、30 kHz、60 kHz、90 kHz 等载波的N(0,1,2,3…)倍频处，并且具有一定的带宽。利用文献[16]所述PGC-DCM解调算法对干涉信号进行解调，解调结果如图8所示。

图8 解调的被测振动信号

从图8 中可以直观看出，解调出的被测振动为主频300 Hz 的正弦信号振动，计算可得解调结果的THD（总谐波失真）为-38.24 dB，由此进一步证明了设计的信号采集模组可以实现对干涉信号的正确采集，为后续的干涉测振信号解调奠定了基础。

4 结束语

文中设计了一种基于FPGA的正弦相位调制激光干涉仪信号采集模组。其硬件包括信号预处理电路、模数转换电路、数据存储电路和FPGA 信号采集控制模块。编写的FPGA内部程序包括Pll_Ip模块、AD4683_Control模块、Sram_Control模块、Uart_Control 模块。

对数据采集模组的采样同步性进行了测试实验，结果无论是在时域上还是频域上都与实际输入信号一致，总谐波失真（THD）优于-28 dB，信噪失真比（SNDR）优于25.5 dB。搭建了正弦相位调制干涉仪测振系统，并对300 Hz 微弱振动进行探测实验，用所述信号采集模组对干涉测量信号和载波参考信号进行同步采样，对所得干涉信号进行相位解调后得到了被测300 Hz 振动信号，解调结果的THD（总谐波失真）为-38.24 dB，进一步证明了所设计的信号采集模组的正确性和有效性。所设计的双通道信号采集模组能够满足正弦相位调制激光干涉仪信号的高精度采集要求。