一種基于偏振原理和FPGA的調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近幾十年，光的偏振在科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)中已有廣泛應(yīng)用[1]，例如偏振太陽(yáng)鏡、偏振望遠(yuǎn)鏡、飛機(jī)和輪船上的濾光玻璃窗、照相機(jī)的偏振濾光片、偏振檢眼鏡等。但以上對(duì)偏振片的應(yīng)用中，偏振片的角度相對(duì)固定，因此無(wú)法做到對(duì)光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)以及定量調(diào)節(jié)。本文采用高速FPGA器件Cyclone EP1C3 實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)測(cè)控，利用舵機(jī)控制偏振片角度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光，對(duì)光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍較大。

1光偏振原理分析

自然光是一種電磁波，具有橫波的偏振特性[2]。設(shè)在平面振動(dòng)的光矢量A,在x、y方向的振幅分別為Ax與Ay，振動(dòng)相位差為δ,設(shè)經(jīng)過(guò)第一片偏振片后偏振最大透振方向PM與x軸夾角為θ，并設(shè)Pm為與PM正交的方向。如圖1(a)所示。

假設(shè)理想偏振片最大振幅透過(guò)率為1，最小振幅透過(guò)率為0，則透射光強(qiáng)為:


在光路中放入偏振片P1 作為起偏器，設(shè)自然光強(qiáng)為E0，此時(shí)任何方向上投射光強(qiáng)E成為線偏振光，即:
其中A1、E1為經(jīng)過(guò)起偏器P1后光振幅與光強(qiáng)，E2為經(jīng)過(guò)檢偏器P2后光強(qiáng)。如圖1(b)所示。通過(guò)測(cè)量E2，即可得到光強(qiáng)值，并通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算獲得舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制變量。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體系統(tǒng)
基于偏振原理的光強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：光強(qiáng)采樣裝置、基于FPGA的信號(hào)采集與處理模塊[3]、舵機(jī)控制模塊、電源模塊以及鍵盤顯示單元。如圖2所示。

光線透過(guò)偏振片裝置，由光電轉(zhuǎn)換電路將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大后由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集，由接口電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。FPGA模塊完成對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并加以修正。接著通過(guò)計(jì)算得到舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變量，并控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與舵機(jī)連接的偏振片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變兩偏振片夾角，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。鍵盤顯示單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)所需光強(qiáng)的設(shè)定，該設(shè)定值參與FPGA對(duì)光強(qiáng)的計(jì)算處理過(guò)程。顯示單元可同時(shí)顯示設(shè)定光強(qiáng)值與調(diào)節(jié)后光強(qiáng)值，便于監(jiān)控與檢測(cè)調(diào)節(jié)效果。

本裝置選用的FPGA是Altera公司生產(chǎn)的Cyclone EP1C3，內(nèi)核采用1.5 V供電，功耗小，F(xiàn)PGA的端口工作電壓為3.3 V。FPGA的I/O端口可自由定義，電路設(shè)計(jì)方便，編程靈活且為并行執(zhí)行方式，不易受外部干擾。由于FPGA本身不具備A/D轉(zhuǎn)換模塊，必須使用外加A/D轉(zhuǎn)換電路，本裝置采用ADC0820AC作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.2 光強(qiáng)采樣與處理

通過(guò)偏振裝置的光信號(hào)，由光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電傳感器(光電二極管)工作在線性范圍，傳感器輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻產(chǎn)生壓降，經(jīng)差動(dòng)放大電路放大。采用基于OP07的差動(dòng)放大電路[4]，正負(fù)輸入分別為與光電二極管串聯(lián)的采樣電阻的端電壓，依此可減小溫度漂移等因素對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生的影響，并起到緩沖隔離作用。通過(guò)上述電路，輸出電壓為：


放大后的電壓在0~5 V內(nèi)，通過(guò) A/D變換，變換后的數(shù)據(jù)值經(jīng)過(guò)FPGA處理，可得到輸入光照強(qiáng)度與PWM占空比控制變量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，依此對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出PWM 波，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)偏振片P2 旋轉(zhuǎn)一定角度，以改變兩偏振片之間夾角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的調(diào)節(jié)。

光強(qiáng)采樣與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.3 基于偏振片的調(diào)光裝置

基于改變兩片偏振片夾角來(lái)調(diào)節(jié)透光強(qiáng)度的原理，先固定偏振片P1，將偏振片P2 與舵機(jī)旋葉連接，通過(guò)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)偏振片P2 偏轉(zhuǎn)，從而改變偏振片P1 與P2 夾角，進(jìn)而調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。試驗(yàn)裝置中測(cè)定了某一較強(qiáng)的光照強(qiáng)度，并將其相對(duì)強(qiáng)度定義為100，以之作為整個(gè)裝置的光強(qiáng)參考值。在實(shí)際應(yīng)用中，需要經(jīng)過(guò)較精密的儀器對(duì)實(shí)際光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，并與該參考值進(jìn)行線性換算。

舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM 信號(hào)，利用占空比的變化，改變舵機(jī)的位置。其控制信號(hào)線的輸入是一個(gè)脈寬可調(diào)的周期性脈沖信號(hào)，周期為20 ms。當(dāng)脈寬改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈寬成正比。理論上，PWM占空比控制量精度越高，舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度精度越高，對(duì)轉(zhuǎn)角的控制越精確。但在本實(shí)驗(yàn)中，由于偏振片精度限制，舵機(jī)轉(zhuǎn)角不宜過(guò)小。將舵機(jī)180°轉(zhuǎn)角范圍分為50等份，采用舵機(jī)最小轉(zhuǎn)角為3.6°進(jìn)行試驗(yàn)，能夠保證實(shí)驗(yàn)精度。并且PWM經(jīng)光耦隔離后，送至舵機(jī)控制線，起到排除系統(tǒng)潛在干擾的作用。

3 FPGA算法設(shè)計(jì)

由以上討論可知，光強(qiáng)的控制在于兩偏振片夾角的控制。由于角度偏轉(zhuǎn)取決于舵機(jī)轉(zhuǎn)角，而舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)由輸入PWM占空比調(diào)節(jié)，所以建立光照強(qiáng)度與PWM占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

圖4為實(shí)測(cè)中得到的電壓Uo與調(diào)控偏振片夾角的PWM控制量的關(guān)系曲線，以及該曲線的理論值。

3.1實(shí)時(shí)光強(qiáng)修正算法

在試驗(yàn)測(cè)試中，測(cè)定了某一較強(qiáng)的光照強(qiáng)度，并將其相對(duì)強(qiáng)度定義為100,并以此為參考值建立光強(qiáng)與PWM波占空比的控制量對(duì)應(yīng)表。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)實(shí)際光強(qiáng)值進(jìn)行測(cè)量,并與該參考值進(jìn)行線性換算，得到查表所需的光強(qiáng)值。

因此，將所需光強(qiáng)利用上式計(jì)算，得出修正值代替所需光強(qiáng)值進(jìn)行查表，即可得到修正后對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角的PWM占空比的控制量，進(jìn)而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

由此，設(shè)計(jì)FPGA 整體算法架構(gòu)[5-6]，如圖6所示。

文章介紹了基于偏振原理的自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)光電傳感，經(jīng)信號(hào)采集、修正，獲得舵機(jī)偏轉(zhuǎn)控制量，進(jìn)而改變兩偏振片之間的夾角，從而改變通光率，對(duì)光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的較精確的控制，并且可以設(shè)定光照強(qiáng)度值，實(shí)現(xiàn)程控機(jī)械裝置對(duì)光線的自動(dòng)調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量精度較高，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性較好，具有實(shí)踐應(yīng)用的潛力。