CN101672700A - 一种基于fpga的分布式测温a/d采集卡及采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡及采集方法，该采集卡包括高速A/D转换模块，参考温度A/D转换模块，FPGA采集控制及处理单元；高速A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；参考温度A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；FPGA采集控制及处理单元用以缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。本发明对分布光纤温度传感器系统两路拉曼信号实现了100MHz的高速AD采集和多次平均累加等预处理功能。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种A/D采集卡及采集方法，尤其涉及一种用于分布式光纤测温系统的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡及采集方法。
背景技术
随着电子器件的高速发展和计算机总线技术的日趋成熟，数据采集的采样速率已经得到飞速发展，现今的A/D采样率已经达到10GS/s。通过A/D采样在分布光纤温度传感器系统中进行信号采集和存贮完全可能。对于分布式光纤温度传感系统，信号处理的前提和基础是要对Raman后向散射信号进行实时信号采集，然后对采集来的信号进行处理。因此，可以说信号采集具有重要意义。近年来由于高速数字化技术的发展，A/D采样率大大提高，这从很大程度上提高了系统的空间分辨率。在分布式光纤温度传感系统中，空间分辨率是一个十分重要的参数，在测量温度场信息时，总是希望空间分辨率尽可能的好，同时又要求测温的精度尽可能的高。若要改善空间分辨率，必然要提高A/D采样的速率。若要提高测温精度必然要求增加A/D采样位数，温度信号是淹没于噪声之中的，所以实际采样的对象是带有噪声的信号。A/D的高采样率与高采样位数是相互制约的两个参数，因此，必须设计有效的采集电路方案来满足要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，包括高速A/D转换模块，参考温度A/D转换模块，FPGA采集控制及处理单元；高速A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；参考温度A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；FPGA采集控制及处理单元用以缓存所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
作为本发明的一种优选方案，所述高速A/D转换模块包括散射光电探测信号模块，放大匹配电路模块，并列的A/D转换模块；散射光电探测信号模块用以探测所述分布式光纤测温系统中的散射光电信号，输出散射光电探测信号；放大匹配电路模块用以放大所述散射光电探测信号，输出放大的散射光电探测信号；A/D转换模块用以对所述放大的散射光电探测信号进行并行采样。
作为本发明的另一种优选方案，所述高速A/D转换模块为双路高速A/D转换模块，所述放大匹配电路模块为两路放大匹配电路模块。
作为本发明的再一种优选方案，所述参考温度A/D转换模块包括A/D转换模块，用以将所述参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号。
作为本发明的再一种优选方案，所述FPGA采集控制及处理单元包括存储模块单元，数据预处理单元，通信传输模块，时序控制单元；存储模块单元用以存储所述高速A/D转换模块和参考温度A/D转换模块的输出数据；数据预处理单元与存储模块单元相连，用以对所述存储模块单元中的数据进行处理；通信传输模块与数据预处理单元相连，用以将所述数据预处理单元输出的处理结果通过总线送入PC处理器中显示出来；时序控制单元分别与所述存储模块单元，数据预处理单元以及通信传输模块相连，用以实现整个采集卡的精确时序控制以及协调工作。
基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，包括以下步骤：
步骤一，高速A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；
步骤二，参考温度A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；
步骤三，FPGA采集控制及处理单元缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
作为本发明的一种优选方案，步骤一中，散射光电信号通过散射光电探测信号模块成为散射光电探测信号，再经过放大匹配电路模块转换成放大的散射光电探测信号，最后经并列的A/D转换模块采样转化为数字信号。
作为本发明的另一种优选方案，步骤二中，参考温度点模块通过测量参考光纤环温度，输出参考温度模拟信号；所述参考温度模拟信号经A/D转换模块采样成为参考温度数字信号。
作为本发明的再一种优选方案，步骤三中，所述高速A/D转换模块的输出数据，与参考温度A/D转换模块的输出数据，均存储在存储模块单元中，再经数据预处理单元进行处理，处理结果由通信传输模块通过总线送入PC处理器中显示出来。
作为本发明的再一种优选方案，所述高速A/D转换模块为双路高速A/D转换模块，所述放大匹配电路模块为两路放大匹配电路模块。
本发明的有益效果在于：本发明利用大规模可编程逻辑器件FPGA组成AD采集控制及预处理单元及相关辅助电路模块设计了一种实用的高速高精度分布式测温专用AD采集卡，可对分布光纤温度传感器系统两路拉曼信号实现100MHz的高速AD采集及进行多次平均累加等预处理功能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为实施例二的电路原理图；
图2为大规模可编程逻辑器件FPGA的功能结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于分布式光纤测温系统的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡及采集方法。其中，分布式光纤测温系统中的温度传感器中携带温度信号的后向拉曼散射光经光电转换后以模拟电信号的形式进入主放大电路进行放大，出来的信号电平随后进入高速A/D转换模块与FPGA采集控制及处理单元进行数据处理，便最终得到对应点的温度场数据。因此，发出光脉冲后，对后向拉曼散射信号进行高速的连续多点采样，就可获得沿光纤轴向的温度场分布，实现分布式温度传感。
实施例一
一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，包括高速A/D转换模块，参考温度A/D转换模块，FPGA采集控制及处理单元；高速A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；参考温度A/D转换模块用以将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；FPGA采集控制及处理单元用以缓存所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
所述高速A/D转换模块包括散射光电探测信号模块，两路放大匹配电路模块，2个并列的A/D转换模块；散射光电探测信号模块用以探测所述分布式光纤测温系统中的散射光电信号，输出散射光电探测信号；两路放大匹配电路模块用以放大所述散射光电探测信号，输出放大的散射光电探测信号；A/D转换模块用以对所述放大的散射光电探测信号进行并行采样。
所述参考温度A/D转换模块包括A/D转换模块用以将所述参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号。
所述FPGA采集控制及处理单元包括存储模块单元，数据预处理单元，通信传输模块，时序控制单元；存储模块单元用以存储所述高速A/D转换模块和参考温度A/D转换模块的输出数据；数据预处理单元与存储模块单元相连，用以对所述存储模块单元中的数据进行处理；通信传输模块与数据预处理单元相连，用以将所述数据预处理单元输出的处理结果通过总线送入PC处理器中显示出来；时序控制单元分别与所述存储模块单元，数据预处理单元以及通信传输模块相连，用以实现整个采集卡的精确时序控制以及协调工作。
基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，包括以下步骤：
步骤一，高速A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；
步骤二，参考温度A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；
步骤三，FPGA采集控制及处理单元缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
步骤一中，散射光电信号通过散射光电探测信号模块成为散射光电探测信号，再经过两路放大匹配电路模块转换成放大的散射光电探测信号，最后经并列的A/D转换模块采样转化为数字信号。
步骤二中，参考温度点模块通过测量参考光纤环温度，输出参考温度模拟信号；所述参考温度模拟信号经A/D转换模块采样成为参考温度数字信号。
步骤三中，所述高速A/D转换模块的输出数据，与参考温度A/D转换模块的输出数据，均存储在存储模块单元中，再经数据预处理单元进行处理，处理结果由通信传输模块通过总线送入PC处理器中显示出来。
所述高速A/D转换模块为双路高速A/D转换模块，所述放大匹配电路模块为两路放大匹配电路模块。
实施例二
本实施例利用大规模可编程逻辑器件FPGA组成A/D采集控制及预处理单元及相关辅助电路模块设计了一种实用的双通道高速高精度分布式测温专用A/D采集卡，其主要技术指标为：
通道数量：2通道独立并行采集(1、2)；
每通道采样速率：50MHz、100MHz；
可通过程序控制选择位数：14位；
输入信号带宽：100MHz；
输入方式：±500mV，±5V信号输入方式；
可通过程序控制量程每通道采样深度：50K(50x1024)；
功能：数字累加功能、滤波功能、抽点功能、运算处理功能；
通信接口：ISA接口。
本实施例的主要设计内容如为：AD前置放大芯片采用AD8352；两路信号由14位高速AD转换芯片AD9246作AD转换；参考光纤温度由AD976作AD转换；大规模可编程逻辑器件FPGAFPGA作AD数据采集和累加，数据采集深度和累加次数可由上位机软件设计；累加结果由PC104通过ISA接口读取；同步方式：上升沿触发，可由上位机选择内触发或外同步。
多次采样以达到提高采样速率的效果。在分布式光纤测温系统中，Raman散射的信号是经过激光脉冲的激发而产生的，整个系统由同步脉冲协调工作。换言之，当控制系统产生一个同步脉冲时，激光器发射光脉冲，同时接收机开始接收处理由此产生的Raman散射光，该过程可以多次重复，同时由于在短时间内温度场信息可以认为是不发生变化的，因此采样的信号也是可重复出现的。在这种条件下，可以使用一路A/D对信号进行多次测量，来提高采样信号的信噪比。
高速A/D采样卡的性能对系统的影响主要表现在三个方面：①采样速率及带宽；②数据采集方式；③采样分辨率和精度；④数据信号处理方法。下面对其各性能指标逐一进行分析。
(1)采样速率及带宽
分布式光纤温度传感器系统要求系统空间分辨率达到1m，A/D采样卡的采样速率与其A/D转换时间成反比，由此得出在1m的空间分辨率要求下，A/D采样卡所需的最小采样速率为100MHz，因此，在对A/D采样卡进行设计时，单从系统空间分辨率要求的角度来考虑，其采样速率必须不小于100MHz。如果要想再进一步提高系统的空间分辨率，则A/D采样卡的将需要更高的采样速率。
作为本发明的一种优选方案，所述高速高精度分布式测温专用AD采集卡的采样速率及带宽为大于等于100MHz。
(2)数据采集方式
分布式光纤温度传感系统主要用于安全监测的领域，该系统测量的空间范围大，要采集的数据量很多，对系统时间分辨率的稳定可靠性有很高的要求。信号数据采集方式采用了实时采样这种方式，信号一到就开始逐点采样，直到将整个信号波形采完为止。其主要优点是适用于任何信号波形，无论是否重复，是单次的还是连续的。同时，采样点以时间为顺序采集，易于实现波形的快速显示。其要求A/D采样卡的处理速度足够大，即每个采样点的采入、量化、存储、运算过程，必须在光源的光脉冲所确定的时间间隔内完成。
特别是当其时，然而，同时为了保证测得温度的稳定可靠，在其工作中运用了数字Boxcar技术，这将改变系统的时间分辨率，大大增加了系统时间分辨率的负担。也就是说，保证系统温度分辨率和精度稳定可靠，是以牺牲时间为代价的。所以，不能在A/D采样这一环节再耗费过多时间而使时间分辨率进一步恶化。
所述高速高精度分布式测温专用AD采集卡的采取第一种采样方式-实时采样方式，依靠高速A/D采样卡器件自身的高速模数转换性能来保证系统时间分辨率的稳定可靠性。
(3)采样分辨率和精度
在拉曼分布式光纤温度传感器系统中，由于携带温度信息的后向反斯托克斯拉曼散射光信号非常微弱，而其反应温度变化量的相应电平变化量就更微弱。要保证系统的稳定性和可靠性，就要求A/D采样卡能分辨并以数字量准确表达这一微弱变化，因而系统的可靠性与A/D采样卡的分辨率和精度有很大的关系。
A/D采样卡的分辨率是指A/D采样卡可分辨的输入信号的最小变化量，通常由A/D采样卡的最低有效位(LSB)决定。A/D采样卡的精度是指A/D采样卡实际输出数字量与对应输入模拟量之差，通常表示为满度信号的百分数(％FS)，A/D采样卡的精度主要受它的量化误差影响。A/D采样卡的量化误差有这样一个特点：大信号时量化误差小，而小信号时量化误差大，当输入信号没有接近满量程时，量化误差会相对加大。因此，要保证系统的稳定性和可靠性，必须增加A/D采样卡的位数，这样可以提高模数转换的精度和可靠性。然而A/D采样卡的位数越多，其转换的速度越慢，这将影响系统的时间分辨率。此外，选择A/D采样卡的位数时，还应考虑与实际输入信号的动态范围相适应。A/D采样卡的成本，也是一个必须考虑的因素。所述双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡的位数为14位。
(4)数据信号处理方法
在分布式光纤温度传感器系统中，通常采用时域累加平均来改善系统的信噪比并恢复波形的方法。在分布式光纤传感器中，采用了多点平均的线性累加模式。
经过多点累加平均之后，采样信号的信噪比大大改善，较未平均前获得倍的提高。时域数字信号累加平均的方法是分布式光纤温度传感器信号处理的基本方法。
所述双通道高速高精度分布式测温专用AD采集卡采用大规模可编程逻辑器件FPGA作AD数据采集控制和数据累加，数据采集深度和累加次数可由上位机软件设计。
本实施例的功能主要是将经APD光电转换并经宽带低噪声主放大电路放大后的后向反斯托克斯拉曼散射和斯托克斯拉曼散射电信号进行数字化，并进行多次平均累加等数据预处理后缓存，再由ISA接口通信给计算机进行处理，从而获得空间温度场的分布信息。
本实施例详细描述了一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，如图1所示，主要包含双路14位高速A/D转换模块、16位参考温度A/D转换模块和FPGA采集控制及处理单元。
双路14位高速A/D转换模块的工作流程是散射光电探测信号输入于由高速运算放大器A/D8352组成的两路并行的A/D前置放大匹配电路(即图1所述的两路放大匹配电路)，两路并行的A/D前置放大匹配电路的输出信号送入由两片14位100MHz高速A/D转换芯片A/D9246组成的A/D转换电路进行并行采样，两路A/D采样数据结果送入在大规模可编程逻辑器件FPGA中内核设计FIFO存储模块作为缓存，以较好地处理A/D采样卡与计算机之间的数据存储与传输的匹配问题。
16位参考温度A/D转换模块的工作流程是用于测量参考光纤环温度的高精度温度传感器的输出模拟信号信号送入由一片16位A/D转换芯片A/D976组成的A/D转换电路进行并行采样，采样数据结果送入在大规模可编程逻辑器件FPGA中作为缓存，以较好地处理A/D采样卡与计算机之间的数据存储与传输的匹配问题。
大规模可编程逻辑器件FPGA(即FPGA采集控制及处理单元)的功能结构图如图2所示。
大规模可编程逻辑器件FPGA采用XiLinx公司的Spartan-3系列器件内核设计包括用于信号采集控制的时序控制单元，用于存储的存储模块单元，用于预处理的数据预处理单元及用于通信的通信传输模块等功能模块单元。
大规模可编程逻辑器件FPGAFPGA中内核设计的用于A/D数据采集控制的时序控制单元的功能是实现整个系统的精确时序控制，用于完成整个系统的协调工作。
大规模可编程逻辑器件FPGAFPGA中内核设计的用于A/D数据存储的存储模块单元的功能是存放双路14位高速A/D转换模块和16位参考温度A/D转换模块的最近一次采样的数据。
大规模可编程逻辑器件FPGA中内核设计的用于A/D采集数据预处理的数据预处理单元由外部输入的同步脉冲协调工作，同步信号方式为上升沿触发，可由上位机选择内触发或外同步。其功能主要是完成将两路散射光信号数据的前次累加和与当前数据再次进行累加的功能，累加后的结果存储起来，数据采集深度和累加次数可由上位机软件设计。
大规模可编程逻辑器件FPGA内核设计的通信传输模块实现把累加后的结果数据经ISA总线送入PC104处理器显示出来。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。
Claims (10)
1.一种基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，用于分布式光纤测温系统中，其特征在于，包括：
高速A/D转换模块，用以将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；
参考温度A/D转换模块，用以将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；
FPGA采集控制及处理单元，用以缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，其特征在于，所述高速A/D转换模块包括：
散射光电探测信号模块，用以探测所述分布式光纤测温系统中的散射光电信号，输出散射光电探测信号；
放大匹配电路模块，用以放大所述散射光电探测信号，输出放大的散射光电探测信号；
并列的A/D转换模块，用以对所述放大的散射光电探测信号进行并行采样。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，其特征在于：
所述高速A/D转换模块为双路高速A/D转换模块，所述放大匹配电路模块为两路放大匹配电路模块。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，其特征在于：
所述参考温度A/D转换模块包括A/D转换模块，用以将所述参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡，其特征在于，所述FPGA采集控制及处理单元包括：
存储模块单元，用以存储所述高速A/D转换模块和参考温度A/D转换模块的输出数据；
数据预处理单元，与存储模块单元相连，用以对所述存储模块单元中的数据进行处理；
通信传输模块，与数据预处理单元相连，用以将所述数据预处理单元输出的处理结果通过总线送入PC处理器中显示出来；
时序控制单元，分别与所述存储模块单元，数据预处理单元以及通信传输模块相连，用以实现整个采集卡的精确时序控制以及协调工作。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，高速A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的散射光电信号数字化，输出数字信号；
步骤二，参考温度A/D转换模块将所述分布式光纤测温系统的参考温度模拟信号数字化，输出参考温度数字信号；
步骤三，FPGA采集控制及处理单元缓存并处理所述高速A/D转换模块输出的数字信号和所述参考温度A/D转换模块输出的参考温度数字信号。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，其特征在于：步骤一中，散射光电信号通过散射光电探测信号模块成为散射光电探测信号，再经过放大匹配电路模块转换成放大的散射光电探测信号，最后经并列的A/D转换模块采样转化为数字信号。
8.根据权利要求6所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，其特征在于：步骤二中，参考温度点模块通过测量参考光纤环温度，输出参考温度模拟信号；所述参考温度模拟信号经A/D转换模块采样成为参考温度数字信号。
9.根据权利要求6所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，其特征在于：步骤三中，所述高速A/D转换模块的输出数据，与参考温度A/D转换模块的输出数据，均存储在存储模块单元中，再经数据预处理单元进行处理，处理结果由通信传输模块通过总线送入PC处理器中显示出来。
10.根据权利要求6所述的基于FPGA的分布式测温A/D采集卡的采集方法，其特征在于：所述高速A/D转换模块为双路高速A/D转换模块，所述放大匹配电路模块为两路放大匹配电路模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100317 |