基于现场可编程门阵列的半导体激光器控制技术

论文摘要

随着光纤技术的不断进步,光纤传感领域也得以快速发展。光纤传感器通过光纤进行信息的获取,具有体积小、灵敏度高、动态范围大、测量范围广、复用性强、抗干扰能力强、适应环境能力强等应用优势,被广泛应用于各个领域之中。波长可调谐半导体激光器在白光光纤传感测量系统中能够发挥重要的作用,如何优化其性能是人们一直关注的重点。FPGA是可编程逻辑器件的一种,具有资源丰富、运行速度快、灵活性高等优点。将其应用到白光光纤传感测量系统之中,不仅可以提升波长扫描激光光源的波长调谐速度,还可以满足光纤传感解调系统对于实时进行大量数据处理的需求,更有利于白光光纤传感测量系统的集成化和灵活性。本文对目前常见的波长可调谐半导体激光器进行了分析对比,选择SGDBR激光器作为白光光纤传感测量系统的波长扫描激光光源。在详细分析了SGDBR激光器的工作原理及控制方式之后,我们选择使用5路ADN8810数控恒流源串行或并行为激光器输入谐振腔所需的5路控制电流,并使用FPGA作为整个波长扫描激光光源的核心控制元件。我们重点进行了FPGA的逻辑编码工作,设计驱动整个硬件链路实现单波长激光输出及波长循环扫描输出。光源系统可输出的激光波长点数为5014,波长范围约为1527nm-1567nm,波长间隔约8pm。对于数据采集系统,我们选用DA芯片TLV5618模拟信号源,AD9226模数转换芯片进行模拟信号的转换,并使用FPGA作为核心元件进行数据的采集及传输。我们通过对FPGA进行编码,实现了DA芯片的驱动、AD转换数据的采集与存储控制,并通过软硬核完成数据存储模块及UART串口/标准以太网口传输模块的设计,最终实现了完整的SOPC系统。经测试,数据采集系统可正常进行数据的采集与存储,且FPGA可控制所采集的强度数据通过UART串口/标准以太网口上传至PC机以备后续处理。进而,结合设计的波长扫描光源系统与数据采集系统,我们最终搭建了完整的白光光纤传感测量系统。本文制作了3种不同腔长值的F-P光纤传感器,并分别利用自制的白光光纤传感测量系统及SM125商用光纤传感解调仪进行了干涉光谱的采集以及传感器腔长值的解调。对比测量结果发现,二者采集的干涉光谱近似重合,解调出的传感器腔长值相差10nm以内,验证了自制白光光纤传感测量系统的可行性。本文最终所实现的白光光纤传感测量系统具有体积小、性价比高、可升级等应用优势,可用于进行白光光纤传感测量或作为独立的循环扫描光源使用。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 光纤传感技术的发展现状

1.2 波长可调谐半导体激光器简介

1.3 FPGA在光纤传感领域中的应用

1.4 课题的研究目的及意义

1.5 本文的主要内容及结构安排

2 SGDBR激光器及FPGA的工作原理

2.1 SGDBR波长可调谐半导体激光器的工作原理

2.1.1 SGDBR激光器的结构及工作原理

2.1.2 SGDBR激光器的控制方式

2.2 FPGA的工作原理

2.2.1 FPGA的组成结构及工作原理

2.2.2 QuartusⅡ开发平台

2.2.3 Modelsim仿真工具

2.3 通讯协议简介

2.3.1 UART串口通讯协议

2.3.2 SPI通讯协议

2.4 本章小结

3 基于FPGA的 SGDBR激光器控制系统设计

3.1 SGDBR激光器控制系统的结构

3.1.1 SGDBR激光器控制系统的硬件链路组成

3.1.2 ADN8810 数控电流源

3.2 串行5路ADN8810 驱动方式

3.2.1 FPGA内部逻辑架构设计

3.2.2 FPGA核心控制模块的时序逻辑设计

3.2.3 系统性能测试

3.3 并行5路ADN8810 驱动方式

3.3.1 FPGA核心控制模块的时序逻辑设计

3.3.2 系统性能测试

3.4 本章小结

4 基于FPGA的数据采集系统设计

4.1 数据采集系统的结构

4.1.1 TLV5618 数模转换芯片

4.1.2 AD9226 模数转换芯片

4.2 SOPC系统设计

4.2.1 Qsys硬件系统设计

4.2.2 其他主要模块的时序逻辑设计

4.2.3 SOPC软件系统设计

4.3 系统性能测试

4.4 本章小结

5 白光光纤传感测量系统设计

5.1 白光光纤传感测量系统的结构

5.1.1 F-P光纤传感器

5.1.2 SM125 光纤传感解调仪

5.1.3 白光光纤传感测量系统的硬件链路组成

5.2 F-P光纤传感器的腔长解调实验

5.2.1 SM125 的传感器腔长解调结果

5.2.2 自制系统的传感器腔长解调结果

5.2.3 两个解调系统的测试结果对比

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万妍君

导师: 彭伟

关键词: 波长可调谐半导体激光器,光纤传感

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

分类号: TN248.4

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002112

总页数: 70

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