CN112526910A - 一种激光外差干涉仪解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光外差干涉仪解调系统，包括多个SMA接口、SPI总线控制器、时钟电路和Zynq主芯片，SPI总线控制器与Zynq主芯片的数据端口连接，时钟电路的输出端与Zynq主芯片的输入端连接，SMA接口包括至少2路SMA接口，第一路SMA接口通过混频器、第一低通滤波器和放大器后与第二低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与交流耦合电路的输入端连接，交流耦合电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端通过FMC HPC接口与Zynq主芯片的数据输入端连接，Zynq主芯片上设置有多个拓展接口和存储单元。本发明设计激光外差干涉仪数字硬件解调系统，实现激光外差干涉信号的实时解调和人机交互，可根据实际的应用情景灵活选择解调方案。

Description

一种激光外差干涉仪解调系统

技术领域

本发明涉及解调系统领域，具体地说，是涉及一种激光外差干涉仪解调系统。

背景技术

在精密测量及超精密测量领域，激光外差干涉测量技术应用十分广泛。外差干涉信号的解调方案从解调平台区分包括软件解调和硬件解调，从信号类型划分包括模拟解调和数字解调：软件解调虽然效率高、算法实现方便灵活，但受限于平台的处理能力，实时性处理无法保证；模拟解调则存在模拟器件老化、热漂移和非线性等问题。

硬件解调的实现方案包括基于单片机的硬件解调方案及基于DSP的硬件解调方案等也存在问题，其中，基于单片机及基于DSP的硬件解调方案存在的问题如下：

1.由于单片机主要依靠软件实现各项功能，时钟效率低，软件运行为单线程执行，解调效率低，难以满足高速多通道信号处理和采集的要求。

2.DSP很难完成对于外围复杂逻辑器件的控制，采样速率的提高同时也引入了更高的系统设计成本；并且，DSP的各种功能需要借助软件控制才能实现，因此，指令的执行速度和效率较低，软件的运行时间占用了整个采样时间的很大比例。

因此，开发激光外差干涉仪硬件解调系统仍然迫切需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光外差干涉仪解调系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括多个SMA接口，SPI总线控制器，时钟电路和Zynq主芯片，所述SPI总线控制器与所述Zynq主芯片的数据端口连接，所述时钟电路的输出端与所述Zynq主芯片的输入端连接，所述SMA接口包括至少2路SMA接口，第一路SMA接口通过混频器、第一低通滤波器和放大器后与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端与交流耦合电路的输入端连接，所述交流耦合电路的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，第二路SMA接口通过放大器、低通滤波器和交流耦合电路与所述数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，所述Zynq主芯片上设置有多个拓展接口和存储单元。

进一步地，所述Zynq主芯片和SPI总线控制器之间设置有FMC HPC物理接口。

进一步地，所述参考时钟电路为10MHz参考时钟电路。

进一步地，所述拓展接口包括USB接口、HDMI接口、FMC HPC接口、Ethernet接口、PCIe x8接口、eMMC、SATA M.2接口、UART串口和JTAG接口。

进一步地，所述存储单元包括TF卡存储单元和DDR存储单元。

进一步地，所述解调系统的数字多普勒信号可以经过希尔伯特变换或者与Zynq产生的数字参考信号混频后数字低通滤波的方法得到两路正交信号对，再经过反正切、相位展开等得到解调结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明设计激光外差干涉仪数字硬件解调系统，能够克服软件解调和模拟解调的缺陷，可实现激光外差干涉信号的实时解调和人机交互，可以根据实际的应用情景灵活选择解调方案。

2、本发明在增加集成度、减少系统体积的同时，还能够增加仪器的便携性与处理能力；使用了可编程逻辑器件，能够根据自身需求实现对解调系统的自定义，极大地提高了仪器的灵活性。

附图说明

图1为激光外差干涉仪数字硬件解调系统的结构示意图；

图2为激光外差干涉仪数字硬件解调系统的信号解调方案示意图；

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明包括多个SMA接口，SPI总线控制器，时钟电路和Zynq主芯片，所述SPI总线控制器与所述Zynq主芯片的数据端口连接，所述时钟电路的输出端与所述Zynq主芯片的输入端连接，所述SMA接口包括至少2路SMA接口，第一路SMA接口通过混频器、低通滤波器和放大器后与所述低通滤波器的输入端连接，所述低通滤波器的输出端与交流耦合电路的输入端连接，所述交流耦合电路的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，第二路SMA接口通过放大器、低通滤波器和交流耦合电路与所述数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，所述Zynq主芯片上设置有多个拓展接口和存储单元。

在本实施例子中，时钟电路以AD9516-0为主芯片，在所述模数转换器的数据输出端通过FMC HPC接口与Zynq主芯片连接；控制模数转换器的SPI1接口通过FMC HPC接口与Zynq主芯片连接，所述模数转换器的数据输出端通过FMC HPC接口与Zynq主芯片连接。

在另一实施例子中，SPI总线控制器设置有4路SPI总线，其中第一路与AD9959模拟DDS连接的：由Zynq通过SPI1控制模拟DDS芯片AD9959产生需要的正弦信号；第二路与AD9268连接的SPI2是为了控制AD采集；第三路与AD9516-0连接的：10MHz的参考时钟是为了给AD9516-0提供一个基准时钟，以此基准时钟作为参考，再由Zynq通过SPI3控制AD9516-0产生两路时钟，其中一路用于驱动AD9268模数转换，另一路驱动AD9125实现数模转换；第四路与AD9125连接的SPI4是为了控制AD9125实现数模转换。

所述Zynq主芯片和SPI总线控制器之间设置的FMC HPC物理接口用以连接信号采集/输出系统与处理系统。

所述参考时钟电路为10MHz参考时钟电路。

所述拓展接口包括USB接口、HDMI接口、FMC HPC接口、Ethernet接口、PCIe x8接口、eMMC、SATA M.2接口、UART串口和JTAG接口。

所述存储单元包括TF卡存储单元和DDR存储单元。

所述解调系统的数字多普勒信号可以经过希尔伯特变换或者与Zynq产生的数字参考信号混频后数字低通滤波的方法得到两路正交信号对，再经过反正切、相位展开等得到解调结果。

在本实施例子中，时钟芯片AD9516-0由10MHz的温补晶振提供参考时钟，Zynq-7000的PL部分通过SPI总线控制AD9516-0产生两路输出时钟作为模数转换器AD9268及数模转换器AD9125的驱动时钟，此处可由Zynq灵活控制AD和DA的转换速率。QSPI FLASH可用于保存数据和代码，初始化PL(FPGA)和PS(ARM)部分子系统。DDR可以为DDR3或DDR3L，分别与PS和PL的内存接口相连。eMMC与PS相连，可以用来保存操作系统或数据。SATA M.2接口可以接固态硬盘，用于数据保存。JTAG接口用于烧写自定义程序和调试程序。USB接口与Linux桌面系统进行互联。UART串口可将解调系统与计算机互联，实现数据的传输。PCIe x8接口可与计算机互联，用于传输数据；也可以用来增强解调系统的拓展性，与使用PCIe接口的ADC模数转换卡或DAC数模转换卡互联。TF卡用以保存Linux操作系统文件。Ethernet接口用于网络数据传输。FMC HPC接口用于增强解调系统的拓展性，与ADC模数转换卡或DAC数模转换卡互联。HDMI接高清显示屏，用于Linux桌面系统的显示。解调模块的硬件工作流程如下：

步骤1：ADC数据采集，可分为两种方案

方案1：模拟多普勒信号由SMA接口1输入时，模拟信号先与AD9959 DDS模块产生的正弦信号混频，混频器型号为Mini Circuits的TUF-3HSM+，混频信号经PLP-1.9+低通滤波器0滤波后再由ZFL-500LN-BNC+放大器1进行放大，然后再经Mini Circuits的PLP-1.9+低通滤波器1后可以将信号的中心频率降低到1.5MHz。AD9959由STM32单片机或Zynq经SPI总线进行控制，可以根据实际需求产生相应频率的正弦信号，例如当模拟多普勒信号中心频率为40MHz时，AD9959 DDS模块产生的正弦信号频率可以为38.5MHz。低通滤波后的信号经过交流耦合以后由AD9268的通道1转换为数字信号。交流耦合部分采用射频变压器ADT1-1WT+。

方案2：模拟多普勒信号由SMA接口2输入时，经ZFL-500LN-BNC+放大器2放大及PLP-50+低通滤波器2滤波后得到放大后的模拟多普勒信号。低通滤波后的信号经过交流耦合以后由AD9268的通道2转换为数字信号。交流耦合部分可采用射频变压器ADT1-1WT+。

步骤2：数字信号解调

经AD9268转换后得到的数字信号输入到Zynq系列(包含Zynq-7000系列的Zynq-7035、Zynq-7045或Zynq-7100任一款)进行解调，解调算法可以采用图2的信号解调方案。

数字多普勒信号可以经过希尔伯特变换或者与Zynq产生的数字参考信号混频后数字低通滤波的方法得到两路正交信号对，再经过反正切、相位展开等得到解调结果。FPGA上实现的多个数字滤波器可由Linux桌面系统上运行的软件根据实际应用场景进行切换。

步骤3：解调结果输出

解调结果可以有以下几种输出方式：

1.由双通道DAC对解调结果进行输出，低通滤波器3和低通滤波器4为PLP-1.9+。

2.由UART串口将解调结果数据输入到计算机。

3.由PCIe x8接口将解调结果数据输入到计算机。

4.由Zynq内部AXI总线输入到ARM，再由Linux桌面的软件对数据进行后续处理以及显示和保存。

单芯片可以采用FPGA芯片组合ARM芯片替代，也可以使用Zynq UltraScale+MPSoC或Zynq UltraScale+RFSoC系列芯片替代，时钟芯片、DDS信号发生器芯片、AD/DA芯片、交流耦合器、放大器、滤波器也可以根据实际需要选用其他型号。

Zynq-7000系列是全可编程片上系统，主要包含PS(processing system)和PL(Programmable Logic)两部分。PL采用28nm工艺；PS以2个Cortex A9的ARM核为核心，还包括片上存储器、片外存储器接口(DDR)和一系列的外设接口。Zynq-7000系列将ARM CPU和外设集成在一个芯片内，使得Zynq-7000系列皆具处理器和FPGA双重特性，特别适用于软硬件协同设计。

最多54可复用IO(MIO)用于外设如USB、UART等的引脚分配，若使能的外设比较多，MIO个数不够时，可以将某些外设的引脚连接到PL，由PL通过通用IO口连接外部设备。

图1所示的Zynq控制的DDS信号发生器电路可以输出不同频率的正弦波，从而结合模拟低通滤波器显著地降低输入信号的中心频率。解调系统集成了多种数据输出方式：1.通过DA直接输出解调完成的模拟信号；2.通过串口输出解调完成的数据到计算机；3.通过PCIe接口输出解调完成数据到计算机；4.通过AXI接口输出解调完成数据到ARM。解调系统采用了FMC HPC物理接口，能与FMC HPC/LPC兼容的AD/DA子卡均可与之兼容，因此可根据实际需求更换AD/DA模块。解调系统运行Linux桌面系统，桌面系统运行基于Qt开发的软件，可使用软件控制FPGA上实现的数字滤波器的通道切换及数据的后续处理、显示、保存与频谱分析。

本发明可以在不改动硬件的情况下，针对不同的应用场景，在仅需改动硬件解调程序的情况下，使用不同的解调算法灵活地解调外差干涉信号。通过拓展硬件代替原来的AD/DA模块与解调系统互联，解调外差干涉信号，使得数据在FPGA与ARM之间的传输效率高并采用多种可选的数据输出方式与人机交互系统。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，包括多个SMA接口、SPI总线控制器、时钟电路和Zynq主芯片，所述SPI总线控制器与所述Zynq主芯片的数据端口连接，所述时钟电路的输出端与所述Zynq主芯片的输入端连接，所述SMA接口包括至少2路SMA接口，第一路SMA接口通过混频器、第一低通滤波器和放大器后与第二低通滤波器的输入端连接，所述第二低通滤波器的输出端与交流耦合电路的输入端连接，所述交流耦合电路的输出端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，第二路SMA接口通过放大器、低通滤波器和交流耦合电路与所述数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端通过FMC HPC接口与所述Zynq主芯片的数据输入端连接，所述Zynq主芯片上设置有多个拓展接口和存储单元。

2.如权利要求1所述激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，所述Zynq主芯片和SPI总线控制器之间设置有FMC HPC物理接口。

3.如权利要求1所述激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，所述参考时钟电路为10MHz参考时钟电路。

4.如权利要求1所述激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，所述拓展接口包括USB接口、HDMI接口、FMC HPC接口、Ethernet接口、PCIe x8接口、eMMC、SATA M.2接口、UART串口和JTAG接口。

5.如权利要求1所述激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，所述存储单元包括TF卡存储单元和DDR存储单元。

6.如权利要求1所述激光外差干涉仪解调系统，其特征在于，所述解调系统的数字多普勒信号可以经过希尔伯特变换或者与Zynq产生的数字参考信号混频后数字低通滤波的方法得到两路正交信号对，再经过反正切、相位展开等得到解调结果。

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