一种基于偏振原理和FPGA的调光系统设计

摘 要： 设计了一种光强自动调节系统。通过光电传感电路实现光电信号的转换，使用FPGA对数据进行实时处理，并以实验环境光照强度测试结果为参照对所测光强进行线性变换修正，进而查表获得舵机偏转角度的控制量，通过改变偏振片偏振化方向夹角来调节入射光强。自动调光系统测量精度较高，实时调节性较好，鲁棒性较强。
关键词： 光线调节； 自动控制； 偏振片； FPGA

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。

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。
参考文献
[1] 赵成华，茅央波，顾鞠观，等.偏振光在智能楼字中的应用[J].现代科技，2009，8（11）：41-42.
[2] 王永铃，蔡履中.用实际偏振片检测光的偏振态[J].物理实验，2000，20（8）：10-11.
[3] 周润景，图雅，张丽敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007：289-365.
[4] 马场清太郎.运算放大器应用电路设计[M].何希才译. 北京：科学出版社，2007:135-164.
[5] NOWLIN R W, SUNDARAJAN R A. VHDL course for electronics engineering technology[J].Computers in Education Journal, 1998,8(3):17-20.
[6] MAKHIJANI H, MEIER S. A high level design solution for FPGA′s[J].WESCON/94.Idea/Microelectronics. Conference Record, 1994:596-603.