徐 為, 王瑞紅

(1.黑龍江科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,哈爾濱 150001)

高速光纖拉曼測溫的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

徐 為1,2, 王瑞紅1

(1.黑龍江科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,哈爾濱 150001)

為解決目前傳感系統(tǒng)中信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的問題,應(yīng)用新型的可編程器件和DSP器件實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度傳感信號(hào)的高速采集和實(shí)時(shí)處理。系統(tǒng)以新型的 DSP器件 BF533為控制核心,應(yīng)用可編程器件 FPGA對(duì)斯托克斯和反斯托克斯原始信號(hào)進(jìn)行高速采集和并行數(shù)據(jù)處理,預(yù)處理結(jié)果由DSP進(jìn)行精確的數(shù)值計(jì)算。系統(tǒng)具有USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和液晶顯示功能,還可通過高速網(wǎng)絡(luò)接口將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)測量速度快、測溫精度高,可實(shí)現(xiàn)高性能的溫度測量。

拉曼測溫;BF533;FPGA;并行數(shù)據(jù)處理

0 引 言

光纖以其電絕緣性好、抗電磁干擾強(qiáng)、布設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn),在惡劣環(huán)境下的溫度測量中得到廣泛應(yīng)用。分布式溫度傳感系統(tǒng)可在連續(xù)的光纖長度上,采用光時(shí)域反射計(jì)技術(shù),對(duì)沿光纖傳輸路徑上的溫度空間分布和隨時(shí)間變化的信息進(jìn)行測量和監(jiān)控。目前,基于光纖拉曼效應(yīng)的溫度傳感系統(tǒng)已應(yīng)用于電廠的高壓電纜溫度監(jiān)測以及煤礦、油田和石化等領(lǐng)域[1-3]。但其測溫精度、空間分辨率和實(shí)時(shí)特性均受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的限制,通用的高速采集卡和 PC機(jī)組合的方案亦無法完成更快的數(shù)據(jù)處理過程。為此,筆者根據(jù)實(shí)際需求,設(shè)計(jì)一套高速數(shù)據(jù)采集和處理的電路系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)采用新型 FPGA器件結(jié)合高速AD器件實(shí)現(xiàn)雙路并行數(shù)據(jù)采集,應(yīng)用 FPGA硬件執(zhí)行數(shù)值算法,由高速數(shù)字信號(hào)處理器 DSP器件執(zhí)行數(shù)值計(jì)算,使傳感數(shù)據(jù)在最快的時(shí)間內(nèi)得到處理,提高測量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,并應(yīng)用DSP器件實(shí)現(xiàn) 100兆網(wǎng)絡(luò)接口,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)的組成如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Block diagram of system

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由微弱光電探測器件、模擬信號(hào)調(diào)理電路、高速ADC電路、FPGA電路、DSP數(shù)據(jù)處理和接口電路組成。雪崩光電二極管是將微弱的光纖后向拉曼散射的反斯托克斯光、斯托克斯光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它比 P IN光電二極管具有更高的靈敏度和響應(yīng)速度。APD輸出的電信號(hào)經(jīng)三級(jí)高速運(yùn)算放大器放大后輸入高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。數(shù)字化的信號(hào)由 FPGA和DSP實(shí)時(shí)處理。下文著重介紹模擬信號(hào)的數(shù)字化和數(shù)據(jù)處理部分。

2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件性能

系統(tǒng)采用兩路高速AD同步,并分別對(duì)斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)進(jìn)行高速采樣。AD公司的AD9054是高速雙極性工藝的 100MSPS 8位并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換速率極高,無需額外的采樣保持電路,內(nèi)部擁有 256個(gè)高速電壓比較器,在轉(zhuǎn)換信號(hào)的上升沿,比較器將模擬輸入電壓進(jìn)行比較并鎖存比較結(jié)果。在信號(hào)轉(zhuǎn)換的下降沿作8位數(shù)字編碼,并將結(jié)果鎖存于輸出電路中,一直保存到下一個(gè)轉(zhuǎn)換脈沖的到來,而其數(shù)字信號(hào)部分的輸入輸出電平均為 TTL電平。AD9054具有高帶寬、低功耗、高采樣率、穩(wěn)定性高的特點(diǎn),適于光纖拉曼測溫系統(tǒng)的應(yīng)用,能夠保證測量系統(tǒng)的空間分辨率與溫度測量精度。AD9054的雙通道模式的工作時(shí)序如圖 2所示,FPGA與 AD9054的接口時(shí)序依據(jù)圖 2實(shí)現(xiàn)。

圖2 雙通道模式的時(shí)序Fig.2 T im ing-dual channelmode

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)

在高速數(shù)據(jù)采集方面,FPGA有著普通的單片機(jī)和DSP所無法比擬的優(yōu)勢。FPGA時(shí)鐘頻率高,內(nèi)部時(shí)延小,目前器件的最高工作頻率可超過300 MHz;硬件資源豐富,單片集成的可用門數(shù)達(dá)1 000萬門;全部控制邏輯由硬件資源完成,速度快,效率高[4]。利用 FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和作為AD芯片與存儲(chǔ)系統(tǒng)間的接口電路十分合適。通過編寫VHDL代碼設(shè)計(jì)與AD芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)的邏輯控制接口。文中利用 FPGA內(nèi)部高速雙口 RAM作為測量數(shù)據(jù)的緩沖單元,當(dāng) FPGA向DSP發(fā)出讀取信號(hào)時(shí),DSP將緩存中的數(shù)據(jù)讀入并處理。

在數(shù)據(jù)處理方面,由于分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中通常采用時(shí)域累加平均來改善系統(tǒng)的信噪比并恢復(fù)波形,所以系統(tǒng)應(yīng)用 FPGA的 I/O接口讀取AD9054的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),利用可編程器件內(nèi)部的存儲(chǔ)器作為采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存,通過 FPGA的算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行累加處理。數(shù)據(jù)采集和累加采用內(nèi)部數(shù)據(jù)流水線結(jié)構(gòu),使采集和累加可以同時(shí)進(jìn)行,滿足了數(shù)據(jù)高速采集處理的要求。FPGA的數(shù)據(jù)采集模塊如圖3所示。

圖3 FPGA的數(shù)據(jù)采集模塊Fig.3 Data acquisition module of FPGA

4 微處理器的選擇和接口功能

ADSP-BF533是 AD I公司 Blackfin系列中的一款 16位定點(diǎn)處理器,是專門應(yīng)用在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的,其運(yùn)算能力強(qiáng),接口豐富,可以方便地進(jìn)行各種外設(shè)的擴(kuò)展。系統(tǒng)中 BF533采用 AD I和 Intel公司聯(lián)合開發(fā)的MSA構(gòu)架技術(shù),具有600MHz時(shí)鐘頻率和 1.2 G MACS(每秒十億次乘法累加運(yùn)算)的運(yùn)算速度,其內(nèi)含 2個(gè) 16位乘法器,2個(gè) 40位累加器,2個(gè) 40位算術(shù)邏輯單元 (ALU),4個(gè)視頻 ALU以及 1個(gè) 40位移位器[5]。內(nèi)部采用多總線結(jié)構(gòu),大大提高了DSP的運(yùn)行速度;采用八級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu),降低了指令執(zhí)行周期,提高了DSP指令吞吐量,充分滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。

由于ADSP-BF533的優(yōu)異性能,筆者選用它實(shí)現(xiàn)數(shù)值算法和利用網(wǎng)絡(luò)將測量結(jié)果發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。具體功能包括:

(1)根據(jù)ADSP-BF533主頻高的特性,高速采集 FPGA預(yù)處理的數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)高速測量的要求。

(2)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值處理,計(jì)算出溫度曲線的斜率和增益,并根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行差值調(diào)整。

(3)驅(qū)動(dòng)彩色液晶顯示屏,計(jì)算出溫度分布曲線,并實(shí)時(shí)刷新溫度的變化趨勢。

(4)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接口,與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

DSP對(duì)從 FPGA內(nèi)部的 RAM中讀取預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出溫度曲線的斜率和增益并進(jìn)行差值調(diào)整。這是光纖拉曼測溫系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵,測溫系統(tǒng)必須根據(jù)實(shí)際的測量值不斷調(diào)整參數(shù)來保證測量的準(zhǔn)確性。溫度曲線調(diào)整算法軟件流程圖如圖 4所示,其調(diào)整過程見圖 5。

圖4 溫度曲線調(diào)整算法Fig.4 Algorithm adjust for curve of temperature

圖5 溫度曲線調(diào)整過程Fig.5 Process of adjustment

5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中,利用 TCP/IP協(xié)議中的UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡(luò)報(bào)文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)以及簡單的應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)了ADSP-BF533的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。系統(tǒng)中這部分功能由ADSP-BF533控制網(wǎng)卡芯片DM9000實(shí)現(xiàn)。DM9000快速以太網(wǎng)控制處理器合成了MAC、PHY、MMU。該處理器配備有標(biāo)準(zhǔn)10M/100 M自適應(yīng),16 K大容量的 FIFO、4路多功能 GP IO,掉電,全雙工工作等功能。物理層支持以太網(wǎng)接口協(xié)議。系統(tǒng)工作時(shí),首先對(duì)網(wǎng)卡芯片進(jìn)行初始化。該過程是通過DSP對(duì)DM9000外部控制總線和數(shù)據(jù)總線的讀寫操作完成的。ADSP-BF533主要完成數(shù)據(jù)的解包打包,當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸過來,DSP對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析,如果是ARP數(shù)據(jù)包,則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是 IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDP協(xié)議,端口正確,則認(rèn)為數(shù)據(jù)包正確,數(shù)據(jù)解包后,將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包,送入DM9000器件,由DM9000將數(shù)據(jù)輸出到網(wǎng)絡(luò)中。

6 實(shí)驗(yàn)測試

6.1 實(shí)驗(yàn)條件

光纖拉曼測溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,激光的激發(fā)波長是λ=1 550 nm,光纖的拉曼位移Δv=440 cm-1。在 1 km的光纖中距尾端 600 m處繞制一個(gè)光纖繞組,放入熱水中,其余光纖均處于室溫中,在示波器上得到的反斯托克斯拉曼散射光強(qiáng)度的光時(shí)域反射曲線,如圖 6所示。其中,圖 6a表示反斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度分布,經(jīng)過換算可以轉(zhuǎn)換為溫度的分布;圖 6b表示的是光電轉(zhuǎn)換及射頻模擬信號(hào)的頻率響應(yīng)曲線,微弱信號(hào)光電探測電路的帶寬可以保證系統(tǒng)空間分辨率為 1 m的要求。

圖 6 反斯托克斯拉曼散射光曲線和探測器頻響曲線Fig.6 Curve of anti-Stokes Raman scattering light and frequency curve of detector

6.2 分布式測溫

取一根4 km多模光纖,激光器工作波長1 550 nm,脈寬15 ns,輸出功率3W,濾波器工作波長1 451 nm/ 1 550 nm/1 663 nm,隔離度 35 db。放大器:拉曼信號(hào)主放大器(1 451 nm)增益 800倍;探頭互阻放大增益 25 k。帶寬 50 MHz,在 2 430 m處用熱水加熱10 m光纖,得到的斯托克斯、反斯托克斯拉曼曲線如圖7所示。

實(shí)際的溫度測試曲線平滑 (圖 7),符合斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)的變化規(guī)律。圖 8是利用圖 7的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出的溫度分布曲線。實(shí)驗(yàn)測得在光纖長度為2 430 m處的溫度為58℃,其余光纜測得數(shù)值均為室溫,與實(shí)際測量值完全符合,在 2 000 m的范圍內(nèi)室溫測量數(shù)據(jù)變化在 ±1℃范圍內(nèi),這些數(shù)據(jù)證明基于BF533的高速測量系統(tǒng)的性能良好,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明該電路系統(tǒng)性能滿足拉曼測溫系統(tǒng)的要求,具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

7 結(jié)束語

高速并行數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)以新型 FPGA和高速DSP器件為核心,能夠?qū)﹄p路光纖拉曼測溫傳感信號(hào)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集和并行數(shù)值計(jì)算。與傳統(tǒng)的拉曼測溫系統(tǒng)相比,該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有電路體積小、成本低以及運(yùn)算速度超快的優(yōu)點(diǎn),完全能夠替代傳統(tǒng)的拉曼測溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張 穎,張 娟,郭玉靜,等.分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,(08):1-3,9.

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Design of high speed Raman optical fiber temperature data acquisition system

XU W ei1,2,WANG Ruihong1
(1.College of Computer and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China;2.Institute of Computer,HeilongjiangUniversity,Harbin 150001,China)

The attempt to improve the real-time signal processing system in the current sensing system results in a system capable of high-speed acquisition and real-time processing of distributed fiber optic temperature sensing signal based on application of new programmable devices and DSP.This system with the new device DSP BF533 as the cybernetics core allows high-speed acquisition and parallel data processing of the Stokes and anti-Stokes original signal by using programmable devices FPGA(Field Programmable Gate Arrays),followed by a accurate numerical calculation of the pre-processing using the DSP.The system has the function ofUSB data storage and LCD and it can send measurement data to the monitor computer by high-speed network interface.Experimental results show that the proposed system, capable of highermeasuring speed and more accurate measurement gives a higher performance temperature measurement.

Raman measurement temperature;BF533;FPGA;parallel data processing

TP274;O437.3

A

1671-0118(2010)02-0150-05

2009-12-24

徐 為(1979-),男,山東省黃縣人,實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,研究方向:計(jì)算機(jī)集散控制,E-mail:xw9076@yahoo.com.cn。

(編輯王 冬)