CN103063290A

CN103063290A - 一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备及其实现方法

Info

Publication number: CN103063290A
Application number: CN2012105394072A
Authority: CN
Inventors: 黄正
Original assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boom Fiber Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备及其实现方法，包括同步脉冲发生器、光电模块、模数转换器、FPGA、第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块、第二DSP模块和工业计算机，其特征在于：所述同步脉冲发生器分别连接所述光电模块和FPGA，所述光电模块连接模数转换器，所述模数转换器连接FPGA，所述FPGA分别连接所述第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块和第二DSP模块，所述第一DSP模块和第二DSP模块共同连接工业计算机。本发明的优点在于：利用FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术特点，采用乒乓机制对光纤振动测量系统进行数据采集和预处理，并利用DSP高效专用的信号处理能力，有效地解决了系统的实时性问题。

Description

一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备及其实现方法

技术领域

本发明涉及周界安防领域，特别涉及一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备及其实现方法。

背景技术

目前，应用于周界报警的安防系统主要包括：微波报警系统、主动红外报警系统、泄露电缆周界报警系统、静电感应周界报警系统以及摄像机视频识别系统等。上述传统的周界报警系统应用在长距离条件下的监控时，存在很多问题。例如微波报警系统或主动红外报警系统等监控方式只能适用于视距及平坦区域，受地形的高低、曲折、转弯、折弯等环境因素影响很大，而且它们不适合恶劣气候，易受自然气候影响，准确率也较低。同时由于传感器单元一般是有源的，所以在长距离监测的情况下，难以解决野外供电的问题，传感器单元的寿命也较短，在长时间连续使用的情况下，设备的维护成本也较高。

因此，长距离可定位的周界报警系统作为全新的安防设备，具有明显的优势。报警系统分为室外监控光缆和综合处理设备两部分。综合处理设备位于监控室机房内，按功能来划分，可以由光源、光路输出模块、光电转换电路、模数转换模块、数字信号处理模块及报警模块组成。其工作过程为：光源在光源驱动电路的控制下，发出的光经光路输出模块处理后进入室外监控光缆；室外监控光缆返回的光到达光电转换电路之后，经模数转换和数字信号处理模块进行处理；之后进行分析并识别出扰动信号，然后再根据对扰动信号的分析结果进行相应的报警操作。

现有技术中，采用市面上成熟的采集卡，把经模数转换和数字信号处理模块处理过的数据采集到工业计算机上，利用工业计算机进行处理。这类采集卡功能单一，仅仅完成数据采集功能，没有预处理功能。另外，工业计算机处理采用软件处理方法，这种方案的优点是算法移植简单，开发难度较低，缺点是由于PC机是基于多任务系统，不能实时地专一处理单一事务；同时由于系统数据量大，算法比较复杂，很难实时实现，存在数据丢失问题。但是，如果数据处理全部用硬件实现，开发难度大，周期长。

研究发现，即便采用FPGA对信号进行预处理，再利用工业计算机对预处理后的信号进行分析和判别，当多个振动事件同时发生时，系统仍然无法实时处理，仍然存在事件丢失，事件漏报的缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，用以实现实时数据采集和信号处理功能，达到实时分析和判别的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，包括同步脉冲发生器、光电模块、模数转换器、FPGA、第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块、第二DSP模块和工业计算机，其特征在于：所述同步脉冲发生器分别连接所述光电模块和FPGA ，所述光电模块连接模数转换器，所述模数转换器连接FPGA，所述FPGA分别连接所述第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块和第二DSP模块，所述第一DSP模块和第二DSP模块共同连接工业计算机。

所述同步脉冲发生器，用以产生具有一定重复频率的一定脉宽的同步脉冲信号，用来同步光电模块和FPGA（即数据采集控制器），从而使得系统采集到光电模块产生的有效信号。所述重复频率可以设置。

所述光电模块，用以产生激光发射和激光干涉接收。当所述同步脉冲发生器产生脉冲时，光电模块发射激光，同时接收激光干涉光，并将其转换成电信号输出到模数转换器的输入端；当所述同步脉冲发生器的脉冲结束时，光电模块停止发射激光，干涉光则延时一段时间后结束，延时时间与系统探测距离有关。

所述模数转换器，其功能是完成模拟电信号到数字电信号的转换。

所述FPGA，其功能是完成数据采集、数据缓存、数据重排、数据预处理等功能。

所述第一DDR存储器和第二DDR存储器，其功能是缓存数据。

所述第一DSP模块和第二DSP模块，其功能是实现数据后处理、模式识别和事件判别。

所述工业计算机，其功能是用于事件报警显示、信息记录等。

进一步地，FPGA内部设计为由数据采集控制单元、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元、第一预处理单元、第二预处理单元、第一FIFO存储器、第二FIFO存储器、第一数据输出控制器、第二数据输出控制器组成；所述数据采集控制单元分别连接同步脉冲发生器、模数转换器、第一存储器控制单元和第二存储器控制单元，所述第一存储器控制单元连接第一DDR存储器和第一预处理单元，所述第一预处理单元连接第一FIFO存储器，第一FIFO存储器连接第一数据输出控制器，第一数据输出控制器连接第一DSP模块，所述第二存储器控制单元连接第二DDR存储器和第二预处理单元，所述第二预处理单元连接第二FIFO存储器，第二FIFO存储器连接第二数据输出控制器，第二数据输出控制器连接第二DSP模块。

所述数据采集控制单元，其功能是用来控制数据采集流程，切换数据缓存通道、控制数据输出通道切换。

所述第一存储器控制单元，用来对第一DDR存储器读写控制以及对所述第一预处理单元数据输入控制。

所述第二存储器控制单元，用来对第二DDR存储器读写控制以及对所述第二预处理单元数据输入控制。

所述第一预处理单元和第二预处理单元，其功能是对输入数据序列进行预处理，比如短时能量计算、过零率计算、短时傅里叶变换等。

所述第一FIFO存储器、第二FIFO存储器，其功能是数据缓存，达到先进先出的目的。

所述第一数据输出控制器，其功能是用于控制第一预处理单元的数据输出到第一DSP 模块。

所述第二数据输出控制器，其功能是用于控制第二预处理单元的数据输出到第二DSP 模块。

本发明一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，通过如下步骤实现实时数据的采集和处理，达到实时分析和判别的目的：

第一步，同步脉冲发生器产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号；

第二步，当同步信号产生时，光电模块发射脉冲激光，同时接收到有效的激光干涉信号并将其转换成有效的电压信号；

第三步，模数转换器把电压信号转换成数字信号；

第四步，FPGA采集模数转换器输出的数字信号，并完成缓存（即数据存入第一DDR存储器或第二DDR存储器）、数据重排列、数据预处理、输出预处理后的数据到后级的第一DSP模块或第二DSP模块；

第五步，第一DSP模块或第二DSP模块对FPGA输出的数据进行数据后处理、模式识别和事件判别，并把判决结果输出到工业计算机；

第六步，工业计算机对第一DSP模块或第二DSP模块输出的判决进行事件报警显示、信息记录等。

由于本系统数据量大，数据采样率高，为了达到实时信号采集和处理的目的，在上述第四步和第五步采用乒乓机制进行数据缓存、预处理和数据后处理、模式识别的方式，其原理为：假定系统采集M条长度为N的曲线数据，组成一个M×N的二维数组，即M×N的矩阵；例如，当系统探测长度为50km时，取M×N=512×50000；然后对采集到的M×N二维数组进行矩阵转置，得到M×N的数组；对转换好的这个二维数组的每一行进行预处理（比如短时能量计算、过零率计算、短时傅里叶变换等）；这样就可以对系统探测距离范围内的每一个位置进行分析、模式识别和事件判决。由于系统需要实时采集数据和处理，因此采用乒乓数据采集和处理方式；但矩阵转置和预处理通常比较耗时，对于计算机这种多任务系统来说，处理能力十分有限；另一方面，矩阵转置和短时傅里叶变换等适合流水线处理方式，而FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，因此这部分数据处理采用FPGA来处理比较合适。而模式识别等需要做判别和控制的处理方式则比较适合DSP架构，因此采用DSP实现；以下所提到的预处理，包括涉及短时能量计算、过零率计算、短时傅里叶变换等，具体实现过程如下：

第41步，（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第一存储器控制单元把数据存入第一DDR存储器；

（2）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（3）当同步脉冲信号产生次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；这时，对同步脉冲信号产生次数K清零，转入第42步；

第42步，并行执行以下功能：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第二存储器控制单元把数据存入第二DDR存储器；

（2）第一存储器控制单元从第一DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第一预处理单元；

（3）第一预处理单元开始对每列数据进行预处理，其结果进入第一FIFO存储器；

（4）第一数据输出控制器读取第一FIFO存储器的数据，输出到第一DSP模块；即第一DSP模块获取了第一预处理单元处理的结果；

（5）第一DSP模块对每一列数据预处理结果进行判断，对不超过阈值门限的数据直接丢弃；对超过阈值门限的数据，进行后处理、模式识别和事件判决；

（6）第一DSP模块把事件判决的结果输出到工业计算机；

（7）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第二DDR存储器已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的DSP模块进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第43步；

第43步，并行执行以下功能：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第一存储器控制单元把数据存入第一DDR存储器；

（2）第二存储器控制单元从第二DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第二预处理单元；

（3）第二预处理单元开始对每列数据进行预处理，其结果进入第二FIFO存储器；

（4）第二数据输出控制器读取第二FIFO存储器的数据，输出到第二DSP模块；即第二DSP模块获取了第二预处理单元处理的结果；

（5）第二DSP模块对每一列数据预处理结果进行判断，对不超过阈值门限的数据直接丢弃；对超过阈值门限的数据，进行后处理、模式识别和事件判决；

（6）第二DSP模块把事件判决的结果输出到工业计算机；

（7）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的DSP模块进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；

第44步，重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。

本发明的有益效果在于：利用FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术特点，采用乒乓机制对光纤振动测量系统进行数据采集和预处理，并利用DSP在信号处理、模式识别等方面高效的处理能力，有效地解决了系统实时性问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

实施例一：如附图1所示，一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，包括同步脉冲发生器1、光电模块2、模数转换器3、FPGA4、第一DDR存储器5、第二DDR存储器、第一DSP模块7、第二DSP模块8和工业计算机9，其特征在于：所述同步脉冲发生器1分别连接所述光电模块2和FPGA4 ，所述光电模块2连接模数转换器3，所述模数转换器3连接FPGA4，所述FPGA4分别连接所述第一DDR存储器5、第二DDR存储器6、第一DSP模块7和第二DSP模块8，所述第一DSP模块7和第二DSP模块8共同连接工业计算机9。

进一步地，FPGA4内部设计为由数据采集控制单元41、第一存储器控制单元42、第二存储器控制单元43、第一预处理单元44、第二预处理单元45、第一FIFO存储器46、第二FIFO存储器47、第一数据输出控制器48、第二数据输出控制器49组成；所述数据采集控制单元41分别连接同步脉冲发生器1、模数转换器3、第一存储器控制单元42和第二存储器控制单元43，所述第一存储器控制单元42连接第一DDR存储器5和第一预处理单元44，所述第一预处理单元44连接第一FIFO存储器46，第一FIFO存储器46连接第一数据输出控制器48，第一数据输出控制器48连接第一DSP模块7，所述第二存储器控制单元43连接第二DDR存储器6和第二预处理单元45，所述第二预处理单元45连接第二FIFO存储器47，第二FIFO存储器47连接第二数据输出控制器49，第二数据输出控制器49连接第二DSP模块8。

一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号预处理设备的实现方法，其具体实施步骤如下：

第一步，同步脉冲发生器1产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号；

第二步，当同步信号产生时，光电模块2发射脉冲激光，同时接收到有效的激光干涉信号并通过模数转换器3转换成有效的电压信号；

第三步，模数转换器3把电压信号转换成数字信号；

第四步，FPGA 4采集模数转换器3输出的数字信号，并完成缓存、数据重排列、数据预处理、输出预处理后的数据到后级的第一DSP模块 7或第二DSP模块8；

第五步，第一DSP模块 7或第二DSP模块 8对FPGA 4输出的数据进行数据后处理、模式识别和事件判别，并把判决结果输出到工业计算机9；

第六步，工业计算机9对第一DSP模块 7或第二DSP模块 8输出的判决进行事件报警显示、信息记录等管理功能。

上述第四步和第五步采用乒乓机制进行数据缓存和预处理，其原理如下：

假定系统采集M条长度为N的曲线数据，组成一个M×N的二维数组，即M×N的矩阵；例如，系统探测长度为50km时，取M×N=512×50000；然后对采集到M×N二维数组进行矩阵转置，得到N×M的数组；最后对转换好的这个二维数组的每一行进行预处理；这样就可以对系统探测距离范围内的每一个位置进行分析、模式识别和事件判决。具体实现过程如下：

第41步，（1）当FPGA 4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第一存储器控制单元42把数据存入第一DDR存储器5；

（2）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（3）当同步脉冲信号产生次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR存储器5已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；这时，对同步脉冲信号产生次数K清零，转入第42步；

第42步，并行执行以下功能：

（1）当FPGA 4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第二存储器控制单元43把数据存入第二DDR存储器6；

（2）第一存储器控制单元42从第一DDR存储器5中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第一预处理单元44；

（3）第一预处理单元44开始对每列数据进行预处理，其结果进入第一FIFO存储器46；

（4）第一数据输出控制器48读取第一FIFO存储器46的数据，输出到第一DSP模块7；即第一DSP模块7获取了第一预处理单元处理44的结果；

（5）第一DSP模块7对每一列数据预处理结果进行判断，对不超过阈值门限的数据直接丢弃；对超过阈值门限的数据，进行后处理、模式识别和事件判决；

（6）第一DSP模块7把事件判决的结果输出到工业计算机9；

（7）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第二DDR存储器6已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；由于FPGA 4具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一DDR存储器5中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的第一DSP模块7进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第43步；

第43步，并行执行以下功能：

（1）当FPGA 4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据（数据长度为N,例如N=50,000）,并通过第一存储器控制单元42把数据存入第一DDR存储器5；

（2）第二存储器控制单元43从第二DDR存储器6中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第二预处理单元45；

（3）第二预处理单元45开始对每列数据进行预处理，其结果进入第二FIFO存储器47；

（4）第二数据输出控制器49读取第二FIFO存储器47的数据，输出到第二DSP模块8；即第二DSP模块8获取了第二预处理单元45处理的结果；

（5）第二DSP模块8对每一列数据预处理结果进行判断，对不超过阈值门限的数据直接丢弃；对超过阈值门限的数据，进行后处理、模式识别和事件判决；

（6）第二DSP模块8把事件判决的结果输出到工业计算机9；

（7）对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR存储器5已经存储了一个二维数组，包含M×N个数据；由于FPGA 4具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二DDR存储器6中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的第二DSP模块8进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；

第44步，重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。

以上显示和描述的是本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解本发明不受上述使用方法的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明保护范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，包括同步脉冲发生器、光电模块、模数转换器、FPGA、第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块、第二DSP模块和工业计算机，其特征在于：所述同步脉冲发生器分别连接所述光电模块和FPGA ，所述光电模块连接模数转换器，所述模数转换器连接FPGA，所述FPGA分别连接所述第一DDR存储器、第二DDR存储器、第一DSP模块和第二DSP模块，所述第一DSP模块和第二DSP模块共同连接工业计算机。

2.根据权利要求1所述的一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备，其特征在于：所述FPGA内部设计为由数据采集控制单元、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元、第一预处理单元、第二预处理单元、第一FIFO存储器、第二FIFO存储器、第一数据输出控制器、第二数据输出控制器组成；所述数据采集控制单元分别连接同步脉冲发生器、模数转换器、第一存储器控制单元和第二存储器控制单元，所述第一存储器控制单元连接第一DDR存储器和第一预处理单元，所述第一预处理单元连接第一FIFO存储器，第一FIFO存储器连接第一数据输出控制器，第一数据输出控制器连接第一DSP模块，所述第二存储器控制单元连接第二DDR存储器和第二预处理单元，所述第二预处理单元连接第二FIFO存储器，第二FIFO存储器连接第二数据输出控制器，第二数据输出控制器连接第二DSP模块。

3.一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备的实现方法，包括如下步骤：

第三步，模数转换器把电压信号转换成数字信号；

第四步，FPGA采集模数转换器输出的数字信号，并完成缓存、数据重排列、数据预处理、输出预处理后的数据到后级的第一DSP模块或第二DSP模块；

4.根据权利要求3所述的一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备的实现方法，其特征在于：所述第四步和第五步采用乒乓机制进行数据缓存、预处理和数据后处理、模式识别。

5.根据权利要求4所述的一种用于光纤振动测量系统的新型实时数据采集与信号处理设备的实现方法，其特征在于：实现所述第四步和第五步采用的乒乓机制进行数据缓存、预处理和数据后处理、模式识别的实现包括如下步骤：

第41步：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据,并通过第一存储器控制单元把数据存入第一DDR存储器；

（2）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（3）当同步脉冲信号产生次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，这时，对同步脉冲信号产生的次数清零，转入第42步；

第42步，并行执行以下功能：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据,并通过第二存储器控制单元把数据存入第二DDR存储器；

（2）第一存储器控制单元从第一DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第一预处理单元；

（4）第一数据输出控制器读取第一FIFO存储器的数据，输出到第一DSP模块，即第一DSP模块获取了第一预处理单元处理的结果；

（5）第一DSP模块对每一列数据预处理结果进行判断，对不超过阈值门限的数据直接丢弃，对超过阈值门限的数据，进行后处理、模式识别和事件判决；

（6）第一DSP模块把事件判决的结果输出到工业计算机；

（7）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第二DDR存储器已经存储了一个二维数组，由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的DSP模块进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第43步；

第43步，并行执行以下功能：

（2）第二存储器控制单元从第二DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第二预处理单元；

（4）第二数据输出控制器读取第二FIFO存储器的数据，输出到第二DSP模块，即第二DSP模块获取了第二预处理单元处理的结果；

（6）第二DSP模块把事件判决的结果输出到工业计算机；

（7）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（8）当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成预处理、其结果已输出到后端的DSP模块进行后续处理；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；

第44步，重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。