一种基于偏振原理和FPGA的调光系统设计

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近几十年，光的偏振在科学技术及工业生产中已有广泛应用[1]，例如偏振太阳镜、偏振望远镜、飞机和轮船上的滤光玻璃窗、照相机的偏振滤光片、偏振检眼镜等。但以上对偏振片的应用中，偏振片的角度相对固定，因此无法做到对光照强度的实时调节以及定量调节。本文采用高速FPGA器件Cyclone EP1C3 实现光强测控，利用舵机控制偏振片角度实现自动调光，对光照强度的调节范围较大。

1光偏振原理分析

自然光是一种电磁波，具有横波的偏振特性[2]。设在平面振动的光矢量A,在x、y方向的振幅分别为Ax与Ay，振动相位差为δ,设经过第一片偏振片后偏振最大透振方向PM与x轴夹角为θ，并设Pm为与PM正交的方向。如图1(a)所示。


假设理想偏振片最大振幅透过率为1，最小振幅透过率为0，则透射光强为:


在光路中放入偏振片P1 作为起偏器，设自然光强为E0，此时任何方向上投射光强E成为线偏振光，即:
其中A1、E1为经过起偏器P1后光振幅与光强，E2为经过检偏器P2后光强。如图1(b)所示。通过测量E2，即可得到光强值，并通过进一步计算获得舵机转动控制变量。

2 硬件系统设计

2.1 整体系统
基于偏振原理的光强测控系统包括以下几个部分：光强采样装置、基于FPGA的信号采集与处理模块[3]、舵机控制模块、电源模块以及键盘显示单元。如图2所示。


光线透过偏振片装置，由光电转换电路将光强值转换为电信号。该电信号经差动放大后由模数转换模块采集，由接口电路实现电平转换。FPGA模块完成对光强信号的实时检测，并加以修正。接着通过计算得到舵机转动变量，并控制舵机转动，带动与舵机连接的偏振片旋转，进而改变两偏振片夹角，实现光强的调节。键盘显示单元可实现对所需光强的设定，该设定值参与FPGA对光强的计算处理过程。显示单元可同时显示设定光强值与调节后光强值，便于监控与检测调节效果。

本装置选用的FPGA是Altera公司生产的Cyclone EP1C3，内核采用1.5 V供电，功耗小，FPGA的端口工作电压为3.3 V。FPGA的I/O端口可自由定义，电路设计方便，编程灵活且为并行执行方式，不易受外部干扰。由于FPGA本身不具备A/D转换模块，必须使用外加A/D转换电路，本装置采用ADC0820AC作为A/D转换芯片。

2.2 光强采样与处理

通过偏振装置的光信号，由光电传感器转换为电信号。光电传感器(光电二极管)工作在线性范围，传感器输出电流经过采样电阻产生压降，经差动放大电路放大。采用基于OP07的差动放大电路[4]，正负输入分别为与光电二极管串联的采样电阻的端电压，依此可减小温度漂移等因素对信号采集产生的影响，并起到缓冲隔离作用。通过上述电路，输出电压为：


放大后的电压在0~5 V内，通过 A/D变换，变换后的数据值经过FPGA处理，可得到输入光照强度与PWM占空比控制变量的一一对应关系，依此对应关系输出PWM 波，控制舵机转动，带动偏振片P2 旋转一定角度，以改变两偏振片之间夹角，从而实现对光强的调节。

光强采样与信号转换电路如图3所示。


2.3 基于偏振片的调光装置

基于改变两片偏振片夹角来调节透光强度的原理，先固定偏振片P1，将偏振片P2 与舵机旋叶连接，通过舵机旋转带动偏振片P2 偏转，从而改变偏振片P1 与P2 夹角，进而调节光照强度。试验装置中测定了某一较强的光照强度，并将其相对强度定义为100，以之作为整个装置的光强参考值。在实际应用中，需要经过较精密的仪器对实际光照强度进行测量，并与该参考值进行线性换算。

舵机的控制信号是PWM 信号，利用占空比的变化，改变舵机的位置。其控制信号线的输入是一个脉宽可调的周期性脉冲信号，周期为20 ms。当脉宽改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉宽成正比。理论上，PWM占空比控制量精度越高，舵机偏转角度精度越高，对转角的控制越精确。但在本实验中，由于偏振片精度限制，舵机转角不宜过小。将舵机180°转角范围分为50等份，采用舵机最小转角为3.6°进行试验，能够保证实验精度。并且PWM经光耦隔离后，送至舵机控制线，起到排除系统潜在干扰的作用。

3 FPGA算法设计

由以上讨论可知，光强的控制在于两偏振片夹角的控制。由于角度偏转取决于舵机转角，而舵机的偏转由输入PWM占空比调节，所以建立光照强度与PWM占空比的对应关系：

图4为实测中得到的电压Uo与调控偏振片夹角的PWM控制量的关系曲线，以及该曲线的理论值。


3.1实时光强修正算法

在试验测试中，测定了某一较强的光照强度，并将其相对强度定义为100,并以此为参考值建立光强与PWM波占空比的控制量对应表。在实际应用中，需要对实际光强值进行测量,并与该参考值进行线性换算，得到查表所需的光强值。


因此，将所需光强利用上式计算，得出修正值代替所需光强值进行查表，即可得到修正后对应转角的PWM占空比的控制量，进而控制舵机转动。

由此，设计FPGA 整体算法架构[5-6]，如图6所示。

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文章介绍了基于偏振原理的自动调光系统的设计。系统通过光电传感，经信号采集、修正，获得舵机偏转控制量，进而改变两偏振片之间的夹角，从而改变通光率，对光强实现自动的较精确的控制，并且可以设定光照强度值，实现程控机械装置对光线的自动调节。结果表明，系统测量精度较高，实时调节性较好，具有实践应用的潜力。