李忠勤，劉遠(yuǎn)義，王培雷

（1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院；2.黑龍江科技大學(xué) 信息網(wǎng)絡(luò)中心，黑龍江 哈爾濱 150022）

分布式光纖傳感器系統(tǒng)是一種利用激光在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生的背向拉曼散射信號(hào)、根據(jù)光時(shí)域反射原理和雷達(dá)工作原理來(lái)獲取空間溫度分布信息和空間定位信息的監(jiān)控系統(tǒng).[1-2]拉曼散射信號(hào)本身有用信號(hào)小，噪聲很大、頻帶寬，這就需要將有用信號(hào)提取出來(lái)，從而提高傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度.[3]虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器應(yīng)用在分布式光纖傳感器系統(tǒng)中，是其重要的數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備.

1 硬件電路設(shè)計(jì)

虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器是基于虛擬儀器設(shè)計(jì)原理，利用計(jì)算機(jī)的控制接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理與控制，系統(tǒng)由電路設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分組成.電路設(shè)計(jì)分三部分即：模擬前置電路與AD轉(zhuǎn)換電路、可編程邏輯控制電路、計(jì)算機(jī)接口電路.虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示.

圖1 原理框圖

1.1 模擬前置電路與AD轉(zhuǎn)換電路

模擬前置電路與AD轉(zhuǎn)換電路如圖2所示.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是雙通道同步采集累加功能，模擬前置采用3個(gè)高速運(yùn)算放大器進(jìn)行處理，AD轉(zhuǎn)換器本身是單極性信號(hào)，采用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行偏置實(shí)現(xiàn)信號(hào)極性轉(zhuǎn)換，滿足AD轉(zhuǎn)換的要求.

模擬前置電路信號(hào)送AD轉(zhuǎn)換器通過(guò)邏輯控制實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)送給FIFO，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，通過(guò)計(jì)算機(jī)接口將數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī).

1.2 可編程邏輯控制電路

可編程邏輯控制是通過(guò)大規(guī)模可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的，主要實(shí)現(xiàn)的功能有系統(tǒng)地址譯碼、AD轉(zhuǎn)換邏輯控制、雙通道FIFO數(shù)據(jù)邏輯控制、計(jì)算機(jī)接口電路數(shù)據(jù)通訊邏輯控制等.100M晶體振蕩器與大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷B接實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換100M速率轉(zhuǎn)換，同時(shí)與雙通道FIFO的同步時(shí)鐘連接，實(shí)現(xiàn)100M數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ).

1.3 計(jì)算機(jī)接口控制電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PC104總線的計(jì)算機(jī)接口，將計(jì)算機(jī)的地址線 A9～A0、AEN、RD、WE、D7～D0與大規(guī)模可編程邏輯器件相接，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷梢赃M(jìn)行地址譯碼、邏輯控制等，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取與控制.

2 軟件設(shè)計(jì)

虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器的電路能夠?qū)崿F(xiàn)小信號(hào)的高速采集，通過(guò)上層計(jì)算機(jī)軟件能夠最終的數(shù)據(jù)累加，同時(shí)計(jì)算機(jī)本身速度非?？欤軌?qū)崿F(xiàn)快速累加.軟件設(shè)計(jì)的邏輯代碼示例函數(shù)如下：

設(shè)置采樣的觸發(fā)頻率函數(shù)

設(shè)置采樣長(zhǎng)度和累加次數(shù).

讀取雙通道FIFO的狀態(tài)，當(dāng)采樣啟動(dòng)后，F(xiàn)IFO半滿一次，計(jì)算機(jī)讀取一次數(shù)據(jù).

計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)大數(shù)據(jù)量的讀取能夠?qū)崿F(xiàn)將多次的數(shù)據(jù)累加，也就是通常所說(shuō)的累加去噪聲的方法，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)盡量去掉白噪聲，提取出有用的小信號(hào).

圖2 模擬前置電路與A/D轉(zhuǎn)換電路

3 結(jié)束語(yǔ)

虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器在分布式光纖傳感器系統(tǒng)的使用，無(wú)論從采集和累加速度、系統(tǒng)頻帶寬度、系統(tǒng)的噪聲情況等都達(dá)到當(dāng)前國(guó)內(nèi)的先進(jìn)水平，圖3是使用虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器的分布式光纖傳感器系統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)的8Km溫度數(shù)據(jù)曲線.

曲線可以看出噪聲情況是很好的，8Km時(shí)能達(dá)到±0.5℃的穩(wěn)定性，可以說(shuō)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，虛擬小信號(hào)高速采集＆數(shù)據(jù)累加器必將在分布式光纖溫度傳感器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.

圖3 8Km溫度數(shù)據(jù)曲線

〔1〕何青爾,李永倩,王虎,李歡.時(shí)域反射型分布式光纖傳感器性能比較及應(yīng)用 [J].電力系統(tǒng)通信,2012(8).

〔2〕張小麗,陳樂,孫堅(jiān),鄭堅(jiān)璐.一種分布式光纖溫度傳感器的校準(zhǔn)方法[J].自動(dòng)化儀表,2011(12).

〔3〕黃祥,甘孝清,李強(qiáng),曾祥進(jìn).基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院學(xué)報(bào),2013(2).