| 一种基于片上系统的全数字激光稳频方法 | |
李磐; 周非凡; 曹开明; 刘河山 ; 罗子人
| |
| 2025-02-11 | |
| Rights Holder | 中国科学院力学研究所 |
| Abstract | 本发明提供了一种基于片上系统的全数字激光稳频系统，其包括板级电源模块、信号发生模块、数据采集模块、数字信号处理模块、寻峰模块、PID模块、数据输出模块、数据缓存模块和数据通信模块；数字信号处理模块和信号发生模块使用片上系统的FPGA芯片；数字信号处理模块用于对稳频光学系统的反射信号进行解调和低通滤波；信号发生模块用于产生扫频锯齿波信号、调制正弦信号、IQ解调正余弦信号；PID模块基于片上系统的ARM处理器，对PDH误差信号进行PID算法得到PZT反馈控制信号和温度反馈控制信号。本发明使用片上系统作为控制核心，由FPGA芯片负责数据采集、数字信号处理、数据输出，由ARM处理器负责PID控制算法和反正切计算，能对激光器的输出光频率进行稳定。 |
| Application Date | 2024-06-25 |
| Application Number | CN202410822591.4 |
| Patent Number | CN118825767B |
| Claim | 1.一种基于片上系统的全数字激光稳频系统，其特征在于：所述稳频系统包括板级电源模块(1)、信号发生模块(2)、数据采集模块(3)、数字信号处理模块(4)、寻峰模块(5)、PID模块(6)、数据输出模块(7)、数据缓存模块(8)、数据通信模块(9)、片上系统(100)和上位机(200)； 所述片上系统(100)的主控芯片包含FPGA芯片和ARM处理器；通过片上系统的ARM处理器负责PID控制算法和反正切计算； 所述板级电源模块(1)使用电源芯片产生所述稳频系统中各电路模块需要的各种电压值，并实现所述片上系统(100)的顺序上电； 所述信号发生模块(2)使用所述片上系统(100)的FPGA芯片中的DDS ip核产生用于调制和解调的两路正弦信号、用于IQ解调的正余弦信号和一路用于扫频的锯齿波信号；调制正弦信号输出至EOM对激光频率进行调制，解调正弦信号用于所述数字信号处理模块(4)的混频，所述IQ解调的正余弦信号用于所述数字信号处理模块(4)中的相位匹配，所述锯齿波信号输出至激光器的PZT执行器，以对激光器进行扫频； 所述数据采集模块(3)采用高速模数转换器，连接至所述片上系统(100)的FPGA芯片侧，用于把稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号采集进所述片上系统(100)； 所述数字信号处理模块(4)使用所述片上系统(100)的FPGA芯片，用于对稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号进行解调和低通滤波，得到用于稳频的PDH误差信号； 所述数字信号处理模块(4)包括相位匹配模块、混频模块和低通滤波模块； 所述相位匹配模块用于获取稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号和由调制解调正弦信号发生模块产生的解调正弦信号的相位差，由所述信号发生模块(2)产生的解调正弦信号增加此相位差后得到与稳频中反射信号相位对齐的解调正弦信号；相位差的计算方法基于IQ解调，是在FPGA芯片中把稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号在数值上分别乘以所述信号发生模块(2)产生的IQ解调正弦信号和所述信号发生模块(2)产生的IQ解调余弦信号得到两路输出信号，并将得到的两路输出信号经过两个低通滤波器后得到两个滤波信号，最后把两个滤波信号送入所述片上系统(100)的ARM处理器中计算反正切得到稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号和解调正弦信号的相位差，实现解调正弦信号和稳频光学系统(300)中F-P腔的反射信号相位的对齐；且FPGA芯片和ARM处理器的数据交互基于AXI协议； 所述混频模块通过乘法器把解调正弦信号和所述数据采集模块(3)采集到的稳频光学系统(300)的F-P腔的反射信号在数值上相乘； 所述低通滤波模块用于把所述混频模块的输出经过数字低通滤波器，滤波后得到用于稳频的PDH误差信号； 所述寻峰模块(5)用于寻找PDH误差信号的过零点； 所述PID模块(6)基于所述片上系统(100)的ARM处理器，用于对PDH误差信号进行增量式数字PID算法运算得到激光器的PZT反馈控制信号和温度执行器反馈控制信号； 所述数据输出模块(7)使用高速数模转换器，将数字信号转换成模拟电压信号；所述模拟电压信号包括调制正弦信号、扫频锯齿波信号和反馈控制信号；所述调制正弦信号输出至EOM对激光频率进行调制；所述扫频锯齿波信号输出至激光器的PZT执行器进行扫频；所述反馈控制信号输出至激光器的PZT执行器和温度执行器； 所述数据缓存模块(8)使用DDR3芯片，构成所述片上系统(100)的缓存空间，用于实时缓存稳频流程中的信号； 所述数据通信模块(9)使用USB3.0芯片，用于实时读取DDR3芯片中缓存的信号发送到所述上位机(200)显示，并实时调整所述PID模块(6)中的参数并向所述片上系统(100)发出控制命令。 |
| Classification | 发明授权 |
| Status | 有效 |
| Note | 授权 |
| Country | 中国 |
| Agency | 北京和信华成知识产权代理事务所(普通合伙) |
| Document Type | 专利 |
| Identifier | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/99993 |
| Collection | 微重力重点实验室 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 李磐,周非凡,曹开明,等. 一种基于片上系统的全数字激光稳频方法. CN118825767B[P]. 2025-02-11. |
| Files in This Item: | There are no files associated with this item. | |||||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment