24秋“大学物理-研究性实验”项目报告整理，word to markdown由
deepseek-v4-flash-ascend模型完成。 作者：张一鸣、李欣泽、李宸昱 指导教师：赵伟
摘要
针对光纤布拉格光栅（FBG）传感系统中商用数据采集器采样率不足及串行传输机制导致测量频率受限的问题，设计了一种基于FPGA的高速数据采集系统。硬件核心采用Xilinx Zynq 7020与AD9238 ADC，通过采集、判选与发送的流水线并行架构，确保了扫描周期的连续性。系统利用移位寄存器实现260 ns的延时标定，精准对齐触发信号与光电信号；通过专用判选逻辑生成光谱数据，经千兆以太网UDP协议流式上传。同时，提出了利用FPGA内部逻辑分析仪标定系统整体延迟的方法。数字逻辑设计经Vivado完成综合，部署到FPGA并通过测试。此外，对自主设计的数据采集判选模块，利用OpenROAD工具进行了AI辅助ASIC版图生成的尝试。测试结果表明，该系统具有高刷新率 (19.46 kHz @2 nm，0.980 kHz @40 nm)，高信噪比 (70.74 dB)，高波长分辨率 (8 pm)，高峰值精度(0.97 pm)。同时保持了FBG传感特有的抗电磁干扰，多点准分布式测量的特点，为强干扰环境下机械振动、温度变化以及其他物理量的高频精确测量提供了可靠的电子学解决方案。
关键词： 光纤布拉格光栅；数据采集；高速数据采集；FPGA；ASIC
1 引言
光纤布拉格光栅（FBG）作为一种高精度、抗干扰的光学传感器，在温度、应变等物理量测量中具有独特优势，已成为物联网、各类结构监测等领域的关键技术之一。
FBG是通过在光纤的纤芯中引入周期性折射率调制形成的一种光学滤波器，其结构如图
1所示。当光波从左侧入射通过栅区时，每个周期折射率边界都会引起部分光的反射，当波长满足类似x射线晶格衍射理论中的布拉格条件时，反射光波相干叠加，形成高强度的反射峰，其他波长的光因相位失配而干涉抵消而形成透射光。光纤光栅的布拉格波长
FBG的传感原理是外界物理量通过影响有效折射率
其中
利用FBG进行物理量的高频测量需要非常高的光谱刷新率。波长扫描激光器方案因其高速、高分辨率和高信噪比，是实现高频测量的理想方案。同时，基于通用型数据采集器和上位机软件的数据采集方案无法满足高速实时测量需求，因此需要基于硬件的高速数据采集与数字信号处理技术。如2020年，Quan Liu等基于FDML扫描激光和FPGA硬件信号采集实现的超高速FBG传感系统，波长分辨率20 pm，精度6 pm，测量频率达到了40 kHz [4]。
2024年，本研究团队前期自主设计搭建的基于光纤光栅的温度测量实验平台[3]如图 2，以可调谐激光器作为光源，通过步进式扫描获取FBG反射光谱，具有8 pm的波长分辨率，结合自适应寻峰算法，精度可达1 pm，适合高精度测量场景。然而，受商用数据采集器（Keysight DAQ970A）的采样率、采集逻辑和传输速度限制，原有传感系统测量频率为Hz量级，高频物理量测量受限。
![图 2 基于光纤光栅的温度测量装置结构示意图[3]](/pic/光纤传感高速数据采集/image2.png)
本研究利用FPGA设计专用于上述实验平台的高速数据采集电子学，目的在于提高传感系统的测量频率至kHz量级，使之适用于高频物理量（如机械振动引起的应力变化）的精确测量。
2 设计方案
2.1 原系统可改进之处分析
原系统传感频率受限的原因主要有以下几点：
选用的激光器有以下的步进频率：5 MHz/2.5 MHz/500 kHz/15.29 kHz。而DAQ970A的最大采样率为800 kSa/s。根据奈奎斯特采样定理，采样频率需大于等于待测信号频率的2倍，才能还原出待测信号的信息。因此，原系统只允许激光器以最低速（15.29 kHz）扫描，扫描完整光谱范围（5000步）的周期为327 ms。
解决方案：换用更高采样率（>10 MSa/s）的ADC，以满足激光器的最高步进频率。
通用的数据采集器以内置的采样时钟进行采样，没有内置判选逻辑。原始光电信号包含边沿和稳定区。在满足奈奎斯特采样定理的情况下，激光器每一步进周期内，数据采集器采集到了多个样本，然而其中有效数据只有稳定值中的任意一个样本。原系统的判选方式是，将数据采集器采集到的原始光电信号的全部样本传输到上位机，由上位机软件处理。因此传输的无效数据量过多（每组光谱数据量典型值2.4 Mb），不仅增大了传输时间，也增大了运算时间。
解决方案：设计专用的判选逻辑，在数据采集过程中判选，每步只保留一个有效数据（每组光谱数据量典型值60 kb）。
基于VISA协议的通用数据采集控制逻辑为：上位机发送采集命令-数据采集器等待触发-开始采集并记录到缓冲区-缓冲区内样本数达到预设-传输数据到上位机。传输数据状态下，数据采集器不能处于采集记录状态，因此数据传输时间段内到达探测器的信息都会丢失（核电子学通常将该无效时间称为dead time）。原系统第一个扫描周期完成后，数据采集器从采集记录状态进入传输状态，因此无法采集第二个扫描周期的数据。故测量周期将大于等于扫描周期的两倍。
解决方案：设计数字逻辑时，采集-判选-发送采用流水线（pipeline）设计，各部分独立工作，从而确保不丢失任何一个扫描周期的数据。
2.2 高速数据采集设计方案
2.2.1 系统整体设计
如图 3，设计的专用高速数据采集电子学（图中"DAQ system"）替换掉了原系统的数据采集器，其他部分硬件基本保持不变。
系统中主要的信号时序关系如下所示：
图中标注的几个时间关系：
2.2.2 器件选型设计
DAQ系统硬件选型如图所示。
电平转换模块选用TI TXB0102双通道电平转换芯片，作用是将激光器输出的TTL触发电平转换为LVCMOS电平。依照高速信号标准自主设计外围电路并制造。
ADC模块选用ADI AD9238双通道12位高速ADC，以大于奈奎斯特频率的采样率对光电信号进行采样。芯片本身量程0-3 V，结合前级信号调理电路，扩展到-5 V-5 V，能够较大程度保留光电信号较高的峰值，提升信噪比。
数字逻辑器件选用Xilinx Zynq 7020，其包含PS(ARM)和PL(FPGA)两个部分[6]，本设计中主要用到其FPGA部分设计数字逻辑。
以太网PHY芯片选用Realtek RTL8211，支持1000 Mbps带宽以太网通信，与MAC芯片（本设计中即Zynq 7020）之间的通信使用RGMII协议。
2.2.3 数字逻辑设计
如图5，利用Verilog硬件描述语言设计了数据采集系统的数字逻辑，并通过Vivado综合出基于FPGA的实际数字电路。其中主要分以下几个部分：
触发判选：激光器波长步进与触发2是同步发生的，但信号在经过光学链路延迟、探测器延迟、ADC延迟之后，量化的光电信号会相较触发信号晚一定的时间，称为整体延迟。触发判选的目的在于选择合适的触发条件，并在触发后合适的时刻采集有效的量化光电信号。
触发2上升沿+整体延迟对应光电信号边沿；而触发2下降沿+整体延迟对应光电信号稳定位置，因此可以给触发2下降沿增加一个整体延迟，得到可靠的判选信号，且无需针对不同触发周期进行调整。
对于添加延迟的方法，计时器阻塞型延迟要求触发周期>延迟时间，而采用移位寄存器结构设计流水线型延迟，触发周期不受延迟时间限制，其极限≈时钟周期 (20 ns)，可以满足高频触发需求。因此本设计中采用移位寄存器型延迟方法。
数据组包：每个数据点均为16 bit,包含两种情况：开始标记和正常数据。
连续扫描产生的光谱数据可以通过触发1进行分组，触发1上升沿对应单个扫描周期开始，添加特殊的开始标记（0x6666），便于后端分组解析。后端可根据开始标记后数据序号确定调谐步数，推算对应波长。
而对于扫描周期之内的正常数据，每调谐波长对应一个强度数值：[15:13] 置0，补全位数；[12] 超量程指示；[11:0] 判选有效的12位量化光电信号值。
每16位数据生成，推入FIFO缓冲区等待读出。FIFO缓冲区是一个fifo generator IP核，其本质是调用了FPGA内部的block RAM实现，深度为4096字节。由于读出速度大于写入速度，在流式工作状态下，FIFO不会溢出。异步的读写时钟实现了两个异步时钟域的数据交互。
以太网发送：
FIFO缓冲区内数据量达到阈值后，依次读出。通过FIFO缓存实现两时钟域的数据交互，采集判选和发送工作状态互不干扰；
状态机控制，生成报头，校验码，组成UDP协议帧。采用UDP协议流式传输，确保传感数据的高实时性。
将UDP帧以RGMII协议发送到PHY芯片，以千兆以太网传输至计算机，满足数据上传带宽需求。
异步时钟生成：例化了一个clkwiz IP核，其本质是一个PLL锁相环。
输入50 MHz的晶振时钟信号。
输出一个125 MHz的时钟，作为以太网发送模块的主时钟和PHY芯片的发送时钟。
输出一个50 MHz的时钟，作为触发判选与数据组包模块的主时钟和ADC的采样时钟。
2.2.4 综合情况
数字逻辑设计完成后，由Vivado 2018.3综合成部署到FPGA的实际电路，其占用情况、时序、功耗如图 9所示。
2.2.5 OpenROAD 全流程自动化芯片后端设计实验
实验成功完成了综合 (Synthesis)、布局 (Placement)、时钟树综合 (CTS)、布线 (Routing) 及最终签核 (Sign-off) 全流程。
- 时序性能分析 (Timing Analysis)：根据 6_finish.rpt 报告 ，在 50 MHz (20ns 周期) 的约束下，设计完美收敛。时钟频率：设定周期 20.00 ns，报告显示最小可行周期 (period_min) 为 4.20 ns，理论最高频率可达 238.11 MHz 。Worst Slack (最差裕量)：+15.80 ns (MET) 。这是一个非常大的正裕量，说明电路运行在 50MHz 非常轻松，关键路径延迟仅约为 4.2ns 10。违例数：0 个 。保持时间 (Hold Time)：Hold Violation Count：0 个 。最差路径 (Min Path) 的 Slack 为 +0.08 ns (MET) ，满足保持时间要求。
表 1 slack
| WNS（最差负裕量） | Worst Slack（最差裕量） |
|---|---|
| 0.00 ns | +15.80 ns (MET) |
| 报告显示无违例 |
综合结果分析 (Synthesis Statistics)根据 synth_stat.txt 报告：逻辑综合阶段将 RTL 代码映射为标准单元门电路。总逻辑门数 (Cell Count)：89 个 ，芯片总面积 (Chip Area)：237.804 平方微米，时序逻辑占比：报告显示时序逻辑 (Sequential elements) 面积占比高达 73.83% ，原因分析：模块内部包含大量的 DFFR_X1 (33个) ，这是由于设计中使用了 13 级移位寄存器 (delay_pipeline) 用于信号延迟，导致触发器资源占用较高。组合逻辑：主要由 NAND2, NOR2, AOI21 等基础门组成。
功耗分析 (Power Analysis)根据 6_finish.rpt 的功耗报告部分 ：总功耗 (Total Power)： 23.9 微瓦 。功耗构成：时序逻辑 (Sequential)：占比 56.5% 。这也印证了综合报告中触发器面积占比大的结论，功耗主要消耗在移位寄存器的翻转上。时钟网络 (Clock)：占比 25.7% 。静态漏功耗 (Leakage)：占比 20.8% 。
物理实现与规则检查 (Physical Implementation)DRC/LVS：布线阶段生成的 5_route_drc 报告为空（仅含表头），表明无短路 (Short) 或间距 (Spacing) 错误。设计违例检查：Max Slew Violations: 0 ，Max Fanout Violations: 0 ，Max Capacitance Violations: 0 ，版图输出：成功生成了 6_final.gds 和 6_final.def 文件。同时生成了包含布局 (final_placement.webp)、时钟树 (final_clocks.webp) 和布线拥塞 (final_congestion.webp) 的可视化快照。
实验总结本次实验通过 OpenROAD 流程成功实现了 data_acq_ctrl 模块的自动化物理设计。功能完整性：所有 89 个逻辑单元均被正确布局和布线。性能达标：设计时序裕量充足 (Slack > 15ns)，完全满足 50MHz 的工作频率要求，且具有极大的超频潜力（理论可达 238MHz）。零违例：最终设计在时序 (Setup/Hold) 和物理规则 (DRC) 上均实现了 Zero Violation (零违例) 收敛。
3 测试方法与结果
3.1 整体延迟标定
如图 4，激光器波长步进与触发2上升沿是同步发生的，但信号在经过光学链路延迟、探测器延迟、ADC延迟之后，量化的光电信号会相较触发信号晚一定的时间，称为整体延迟。该整体延迟在光路保持一定的情况下不发生变化，然而会随光路长度变化导致延迟发生变化，对于5 MHz步进频率的高频采样来说不可忽略，光路发生变化，系统整体延迟需要重新标定。
标定方法：激光器以低速（步进频率500 kHz，即步进周期2 us）扫描一个反射峰附近的区域，FPGA内例化了一个内置逻辑分析仪（ILA）IP核，以触发1为触发信号，以100 MHz采样率，同步采集触发2和量化光电信号数值，刚好可以采集到峰的下降边沿（触发1之前）和上升边沿（触发1之后）两种情况。触发2上升沿和量化光电信号斜率极值之间对应的时间差即为整体延迟。
使用ILA连续采集了50组数据，对每组同一时刻的数据进行平均，结果如图所示。对于图中多个边沿的时间差取均值，为269.33 ns。50 MHz采样时钟下，ADC时间分辨率20 ns，设计延迟可定为260 ns。
该标定方法利用与数字逻辑设计相同的硬件，保证了标定与实际测量的信号一致性，且重新标定无需更换设备，只需重新写入比特流，操作较为便捷。
3.2 数据接收与处理
3.2.1 采集速度与稳定性
在PC端接收以太网帧，解析UDP协议获得反射信号的强度信息。采用中心波长为1535 nm的光纤光栅，在外界条件恒定情况下进行测试，以200 ns的步进周期，8 pm的步长进行扫描。对于不同光谱扫描范围的测试结果如表 1所示。
表 1 采集速度分析
| 扫描范围 | 扫描周期 | 光谱刷新率 | 光谱采样点数 | 平均数据流速度 | 实测数据吞吐率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1534-1536 nm | 51.40 us | 19.455 kHz | 255 | 9.92 MB/s | 16.5 MB/s |
| 1528-1568 nm | 1020.60 us | 0.980 kHz | 5100 | 9.99 MB/s |
测试结果证明，对2 nm光谱范围（单FBG峰值）进行扫描，光谱刷新率可达 19.46 kHz，对影响FBG峰值的物理量变化进行高频采样从而精确还原；对40 nm光谱范围进行扫描，光谱刷新率也接近1 kHz，证明对不同峰值的多FBG构成的传感阵列所测量的物理量也能够进行较高频采样还原。
3.2.2 峰值统计分析
选用中心波长为1535的光纤布拉格光栅进行实验，设定激光器扫描范围1534-1536nm，一个完整扫描周期包含254个有效数据点，稳定运行系统，在某时刻开始进行30s的持续收集，选取其中200000组进行分析，其统计数据指标如图 11所示。
a 洛伦兹拟合峰值位置分布 b 离散光谱最大值位置分布
c 峰值高度分布 d 基线高度分布
e 基线噪声分布 f 拟合峰位置与最大值位置的对应关系
对于峰值位置的分析结果如表 2所示。结果证明，直接采用最大值搜索，峰值误差会受限于波长量化误差。拟合算法利用采集到的完整光谱信息，实现了亚像素（Sub-pixel）级的寻峰精度，将峰值波长精度提升了6倍，达到了1 pm。因此采集完整光谱是有价值的。
表 2 峰值位置分析
| 峰值位置统计 | 平均值/step | 方差/step | 标准差/step | 峰值波长精度/pm |
|---|---|---|---|---|
| 洛伦兹拟合 | 109.7794 | 0.0146 | 0.1208 | 0.9664 |
| 最高值拟合 | 109.8428 | 0.6289 | 0.7931 | 6.3448 |
对于强度信息的分析如表 3所示。系统信噪比：
该结果证明光电探测器（PD）和 ADC 的电噪声很低，基本达到了电压量化误差极限，每波长单点判选是可靠的，且有弱信号采集的能力。
表 3 强度信息分析
| 基本统计 | 平均值(a.u.) | 方差(a.u.) | 标准差(a.u.) |
|---|---|---|---|
| 峰值高度 | 3872.46 | 235.06 | 15.33 |
| 基线高度 | 2047.73 | 0.03 | 0.17 |
| 噪声强度 | 0.53 | 0.06 | 0.24 |
4 结论（Conclusion）
本文针对光纤布拉格光栅传感系统在动态物理量测量中存在的采样率不足与数据传输受限问题，设计并实现了一套基于Zynq SoC的高速数据采集系统。通过采用采集、判选与发送的流水线并行架构，有效解决了商用数据采集器因串行逻辑和采样率限制导致的测量周期过长问题。
研究构建了专用的触发判选逻辑与移位寄存器延时校准机制，在大幅压缩无效数据量的同时，确保了异步时钟域下光电信号与触发信号的精准同步，实现了对激光器扫描周期的无缝采集。同时，研究提出了利用FPGA例化内部逻辑分析仪标定系统整体延迟的方法。综合结果表明，该系统数字逻辑实现了零违例收敛，具有良好的电路鲁棒性。
实测结果表明，该系统具有高刷新率 (19.46 kHz @2 nm，0.980 kHz @40 nm)，高信噪比 (70.74 dB)，高波长分辨率 (8 pm)，高峰值精度(6.34 pm@无算法，0.97 pm@洛伦兹拟合算法)。同时保持了FBG传感特有的抗电磁干扰，多点准分布式测量的特点，为强干扰环境下机械振动、温度变化以及其他物理量的高频精确测量提供了可靠的电子学解决方案，具有较高的工程应用价值。
5 致谢（Acknowledgement）
感谢近代物理系赵雷老师、秦家军老师与廖潇宇师兄给予的支持。在与赵老师和秦老师的交流中，确定了该研究"信号延迟标定-数字逻辑设计"的两阶段思路以及主要技术方案。另外，赵雷老师的数字电路课当中关于信号完整性、异步信号、流水线等概念的讲解，直接启发了本方案的多个重要技术细节。廖师兄在信号延迟测试方法、核电子学和快电子学基础知识与设计方法上与作者进行了多次深入探讨，避免了诸多技术弯路。
同时，衷心感谢物理实验教学中心赵伟老师，王中平老师和曲广媛老师。本研究是去年物理实验竞赛项目的深化与延续，而前期工作正是在三位老师的指导下奠定了坚实基础。在本期工作中，他们继续在实验方案论证、项目展示度与关键的器材支持上提供了不可或缺的帮助。此外，也感谢上一期项目中的合作者李炳杉与曾奕陶同学，他们出色的前期工作是本项目得以顺利推进的重要基石。
本研究的具体实施由三位同学通力协作完成：张一鸣负责整体结构、硬件电路和以太网发送模块的设计与实现；李宸昱承担了采集判选逻辑的核心开发与数字ASIC版图生成的尝试；李欣泽则完成了上位机软件的编写，测试与数据处理。感谢各位团队成员之间的紧密合作与来自不同专业知识的相互启发。
在此向各位致以诚挚的谢意。
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