CN1079549A

CN1079549A - 撞击的频率/时间分布图的测定方法及其装置

Info

Publication number: CN1079549A
Application number: CN93104357A
Authority: CN
Inventors: J·里克卡; M·沃里希
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-04-25
Filing date: 1993-04-24
Publication date: 1993-12-15
Also published as: JPH0651077A; US5359533A; EP0568771A1; BR9301642A; CA2089219A1; DE4213717A1; KR930022092A

Abstract

测定撞击频率/时间分布图的方法及其相应装置，测量窗口在外部启始信号已锁定时开启。只要测量窗口开启，便累计时钟周期，撞击发生时，标记至此所经历的时钟周期，叫作时间标识。相对于该时间标识的撞击次数加1。随着测量窗口的重复开启，便得到撞击序列的频率/时间分布图，因为对于每个时间标识值，其相应撞击数被相加。每次撞击的探测，分析及后期处理均在一个测量步骤中实时地完成。

Description

本发明涉及一种测定撞击的频率/时间分布图的方法，及实现该方法的装置。

该方法和相应的装置主要用于分析分布式光学温度传感器的测量信号。

根据权利要求1的前序部分，实现该方法的一种装置已被Lecroy公司以“1879管道式多撞击时间数字转换器的名义出售（参见LeCroy公司，研究系统部“1992 Research Instrumentation Catalog”，51-53页）。

在分布式光学温度传感器中，将短促的脉冲激光注入一多模光纤，其后向散射的拉曼光的强度是脉冲光注入后时间的函数，根据这个强度即可推导出光纤中的局部温度分布。因为拉曼光非常弱，所以必需将大量的这种单一测量值（测量周期）加以平均。

除模拟方法外，一种被称为光子计数的方法也适用于探测拉曼光随时间的变化。在这种方法中，通常是测定预选的时间间隔（测量窗口）内单一后向散射光子到达的时间。用这种测量单一光子的方法可以获得很好的时间分辨率（同样在温度）测量中也可以获得很好的空间分辨率。）但是，由于在一个测量周期内，后向散射光中仅有一个光子被检测，同时在测量时间结束后，对这次撞击进行的处理又需一定的时间，所以要获得该信号较好的平均结果必需花费很长的时间。如果在一个测量时间窗口范围内处理尽可能多的光子撞击而不仅仅是一个光子，则可缩短该测量过程的时间。

这种方法已经实现，比如上面提到的LeCrog公司出售的多撞击时间数字转换器就采用了这种方法。在下文中，一次撞击被理解为一个数字信号的上升沿或下降沿。光子可以由特定的探测电路转换为这种信号。

所谓“1879管道式多撞击时间数字转换器”的核心器件是一个快速移位寄存器。在测量周期内，移位寄存器的内容由一连串数字式的“1”和“0”形式组成，对应于待测撞击时间的具体值。在移位寄存器中从测量周期的开始到发生一次撞击所测得的时间间隔，被转换为一个二进制数。由结束信号中止测量周期，然后在两次测量的间隙期间确定每次撞击是否予以处理。经过这一测量间隙，这些撞击已被用时间进行编码，并被读入一存贮器，可供随后的后期处理时读出。

在上述这种测量仪器中，撞击探测、撞击分析和撞击的后期处理是接连地进行的。首先探测所有的撞击，然后仅仅对这些撞击进行分析并为最后处理提供条件。这种仪器测量时间较长，为412μS+每次撞击大约50ns。新的测量周期只有在测量间隙时间后才能开始。最后处理，即求取频率/时间分布图并不能在测量期间内，而只能在测量期过后才能进行。

相应地，本发明的一个目的就是提供一种新颖的方法获取测量窗口（时间窗口）内撞击序列的频率/时间分布图，并提供实现该方法的装置。

a）该方法可以在一次测量周期内处理多次撞击;

b）在该方法中处理时间应尽可能地缩短，致使其应不超出测量窗口的持续时间，这样，频率/时间分布图就可以实时地求出，而没有为进行处理所必需的测量周期间的间歇。

在根据本发明的这种获取撞击的频率/时间分布图的方法中：

a）在测量窗口内，探测多次不同撞击的发生;和

b）在特定次数的测量周期内，测定这些撞击所发生的频率。这一目的是因为以下事实而达到的，

c）撞击探测，撞击分析和撞击最后处理均实时地进行;

d）每一测量周期内可处理的撞击次数仅仅受到对单一撞击的探测和后期处理间的持续时间的限制;

e）当外部启动脉冲用系统时钟锁定后，

f）新的测量窗口开启后，以及

g）累计由于测量窗口开启已经过的时钟周期数;

h）撞击被锁定与系统时钟同步;同时

i）标记自测量窗口开启到此时所经过的时钟周期，这称为时间标识;和

k）将对应于该特定时间标识的撞击次数加1。

l）随着测量窗口的重复开启，将对应于每个时间标识值的标记撞击次数累加，从而产生撞击序列的频率/时间分布图。

本发明的这种方法优点就在于撞击探测，撞击分析和撞击后期处理均实时完成，也就是说是在测量期内而不象上述LeCroy公司所售的装置那样是在测量期以后进行。因此可省略两次测量间要进行数据处理的测量间歇，从而显著地缩短了总的测量时间。

另外，再详细说明一种实现上述方法的装置，该装置的特征为：

a）一个最好是由个人计算机（PC）组成的控制单元，用于控制该方法的实施。

b）一台多时间间隔分析仪（MTIA），用于探测、分析和处理撞击序列;和

c）一个MTIA与PC机之间的PC接口，一方面将来自PC机的信号改为MTIA所要求的形式，另一方面使来自MTIA的信号适应PC机所要求的形式。MTIA由以下几部分组成：

d）两个输入端，其中之一为撞击信号输入端，另一个为启始脉冲输入端;

e）一个产生数字式系统时钟的时钟发生器，

f）一个启始脉冲同步电路，其第一输入端连接到启始脉冲输入端，其第二输入端连到时钟发生器的输出端，将启始脉冲输入端的启始脉冲锁定于系统时钟;

g）一个启动/结束逻辑电路，其第一输入端连到启始脉冲同步电路的输出端，其第二输入端连接到系统时钟，用于控制测量窗口的打开和关闭。

h）一个时间标识计数器，其第一输入端连接到系统时钟，其第二输入端连接到启动/结束逻辑电路的输出端，用于在启动结束逻辑电路的输出有效时累计系统时钟脉冲。

i）一个撞击同步电路，其第一输入端连接到撞击信号输入端，其第二输入端连接到时钟发生器的输出端，使撞击输入端的撞击信号与系统时钟同步;

k）一个“与”门，其第一输入端连接到撞击同步电路的输出端，其第二输入端连接到启始/结束逻辑电路的输出端，对这两个输入信号作“与”逻辑。

l）一个时间标识寄存器，其装载输入端连接着“与”门的输出，其数据输入端连接着时间标识计数器的输出端，当装载输入端上的信号出现上升沿或下降沿（active edge）时，读入时间标识计数器输出端上的数值;

m）一个直方图存储器，其地址输入端连接到时间标识寄存器的输出端，它用输入端地址进行寻址将其存储单元的内容送到其数据输出端;

n）一个加1计数器，其数据输入端与直方图存储器的数据输出端相连，它将其数据输入端的值加1，并通过其数据输出端将这个值写入由时间标识寄存器的输出所寻址到的直方图存储器的存储单元，

o）一个控制d-n中的各步的撞击控制逻辑，

p）一个控制从PC接口进出的数据和地址流的控制逻辑;

在本发明的装置中，分配给撞击的存储单元在测量期间是递增的，所以直方图（后期处理）是在测量期间形成。

这就是本发明有关测定撞击的频率/时间分布图的方法及其装置的核心。在该方法中，撞击探测、撞击分析和撞击最后处理均在测量期由实时完成。

本发明的这种设计的显著特点在于它使得对多次撞击序列的整个处理过程，包括存储均在实时完成，而未超出测量窗口的持续时间，这样明显地减少了总的测量时间。

当然，本发明方法及其相应装置并不局限于用在分布式温度传感器中，而是也可用于需要测量撞击的频率/时间分布图的任何场合。

其他有利的实施例均来源于所附权利要求书。

从下面结合附图的更详细的介绍中将很容易获得对本发明及其优越性的更全面理解。附图中：

图1为本发明装置的方框原理图;

图2为本发明方法的时序图;

图3为本发明装置的一个应用实例，用于提高瞬时分辨率。

图中各标号含义如下：

1 启始信号同步电路

2 启始/结束逻辑

3 时间标识计数器

4 时钟发生器

5 撞击信号同步电路

6 时间标识寄存器

7 直方图存储器

8 加1计数器

9 控制逻辑

10 撞击控制逻辑

11 PC接口

12 “与”门

13 多路时间间隔分析仪（MTIA）

13a 多路时间间隔分析仪1（MTIA1）

13b 多路时间间隔分析仪2（MTIA2）

13c 多路时间间隔分析仪3（MTIA3）

13d 多路时间间隔分析仪4（MTIA4）

14 撞击分配单元

19 第（R+1）位

20 撞击信号输入

21 启始脉冲输入

22 时钟

23 同步启始脉冲

24 测量窗口

25 同步撞击信号

25a 同步撞击信号1

25b 同步撞击信号2

25c 同步撞击信号3

25d 同步撞击信号4

26 计数器输出

27 地址总线

28 输入数据总线

29 输出数据总线

30 输入控制总线

31 输出控制总线

32 写入信号

33 递增请求

34 递增许可

35 装载许可

36 PC输入总线

37 PC输出总线

38 时间标识

39 异步撞击信号

40 测量周期

41 延时

42 测量窗口环

43 时间基准

44 处理时间

45 撞击处理

ⅰ 时间标识i

1016 第1016个时间标识

1023 第1023个时间标识

现参照诸附图，其中相同标号表示贯穿若干视图的相同或相应的部分。在本发明方法中测量窗口在外部启动信号锁定后开启。一旦测量窗口开启，则开始累计时钟周期。当撞击发生时，打印直到其出现所经过的时钟周期数，这称为时间标识。对应于至此所确定的该时间标识值的撞击次数加1。重复开启测量窗口，由于对应于每个时间标识值的加标识的撞击次数是加在一起的，从而获得了撞击序列的频率/时间分布图。

对于每一次撞击，撞击探测，撞击分析和撞击最后处理均在一步完成，而不用等到将所有的撞击都探测以后才得到。也就是说，这三个步骤都是实时执行的。

每个测量周期内可处理的撞击数，即两次连续撞击之间的瞬时分辨率，也就是所谓脉冲对（pulse pair）分辨率仅仅受到单次撞击从探测到最后处理的持续时间的限制。

在本发明方法的一个优选实施例中，允许在延时一定时间后开启测量窗口。这样就可能对那些通常不为零的探测器中的任何瞬间加以补偿。

现在将用图1和图2解释上述本发明方法与本发明装置之间的关系。本发明装置由下列部分组成：一个控制器，最好是一台个人计算机（PC），它通过PC接口与一台多路时间间隔分析仪（13）相连。多路时间间隔分析仪（13）以下将简称为MTIA。下文中大写字母表示信号，一般写法表示相应的功能块。

MTIA（13）有两个输入端，一个启始脉冲输入端（21）和一个撞击信号输入端（20），两者都分别与一同步电路（1，5）相连，启始脉冲输入端（21）连到启始脉冲同步电路（1），撞击信号输入端（20）连到撞击信号同步电路（5）。在这两个同步电路（1，5）中，其异步信号STARTING PULSE（启始脉冲）和HIT（撞击信号）被锁定与系统时钟（22）同步。系统时钟（22）由时钟信号发生器（4）产生，为MTIA（13）提供时钟信号。所有控制和定时任务均由本领域的技术人员以已知方式通过撞击控制器（10）加以控制，无需作更多的解释。同样PC接口（11）与MTIA（13）之间的通讯由本领域通常所用的控制逻辑（9）来加以控制。

当将启始脉冲信号，加到启始脉冲同步电路（1）的输入端（21）时，启始/结束逻辑（2）将通过相应控制信号（MEASURING WINDOW24），表示的测量窗口开启，如果需要的话，也可以延时后再开启。测量窗口信号（24）同时还与时间标识计数器（3）相连。只要测量窗口信号（24）有效，时间标识计数器（3）即开始累计时钟周期数。当撞击信号输入端（20）出现撞击信号时，该信号被锁定与系统时钟22同步，并通过“与”门（12）与测量窗口（24）作逻辑“与”。因此，只有当测量窗口信号（24）与撞击信号（25）均为“1”时，“与”门（12）的输出才为“1”。这个经过“与”运算后的信号被用作时间标识寄存器（6）的装入指令。当其装入输入信号一出现“1”，时间标识寄存器就立即读入时间标识计数器的当前值。

时间标识寄存器（6）的输出端与直方图存储器（7）的地址输入端相连，以此寻址到的存储单元对应于时间标识寄存器的值，即经历的时钟周期数。然后读出该存储单元所储存的值并送至加1计数器（8），加1计数器（8）将其输入端的值加1，并将该值送回直方图存储器（7）的数据输入端。由于地址仍然是出现在时间标识寄存器（6）中的地址，所以当然该新值将被写入同一存储单元。在上述处理过程中，其他撞击信号将被忽略，否则直方图存储器（7）的地址将发生变化。这个短暂的禁止效果由撞击控制器（10）提供。只要测量窗口开启，由撞击的时钟周期数定址的存储单元就要被加1，因此不断开启和关闭测量窗口就可以获得频率/时间分布图。

MTIA（13）通过PC接口（11）与PC机相连。整个系统可通过PC机编程控制。PC接口（11）将来自PC机的数据转换为MTIA（13）的数据，地址和指令。同样MTIA（13）发出的信号也由PC接口（11）转换为PC机可读的数据格式。MTIA（13）通过控制总线或控制输入信号（30）和控制输出信号（31）、数据总线数据输入信号（28）和数据输出信号（29）以及地址总线（27）与PC接口（11）进行通讯。两组控制总线（30，31）与控制逻辑（9）相连。数据总线数据输入信号（28）与加1计数器（8）的输出端以及直方图存储器（7）的数据输入端相连。直方图存储器（7）的数据输出端通过数据总线数据输出信号（29）与PC接口（11）相连。地址总线（27）与时间标识寄存器（6）的输出端以及PC接口到直方图存储器（7）的地址输入相连。

图2显示了本发明方法随时间的变化过程以及本发明装置的时序图。

在经过一段适当的延时（41）后，随着启始脉冲（23）测量窗口（24）被开启。此时的时间作为时间基准（43）。同时，时间标识计数器（3）开始累计时间标记（38）。时间标记从0计到1023。假设例如在第一时钟周期内出现撞击信号（39），则被锁定（即探测）并被标识为“1”（即分析）。

这个被锁定和被标识的撞击在处理时间（44）期间作最后处理。在此处理期间（44），暂不接受其它撞击。完全相同的步骤在时间标识为“ⅰ”或“1019”发生撞击时出现。当时间标识到最后的1023时，测量窗口（24）被关闭。在测量窗口开启和关闭之间经历了时间（42）。一旦测量窗口（24）关闭，由于另一个启始脉冲（23），窗口又能重新开启。这样以该时间周期（40）重复开启关闭测量窗口（24），最终将获得所需要的频率/时间分布图。

在本发明的第一个最佳实施例中，时间标识计数器（3）包括一个（K+1）位二进制数。当测量窗口开启后，它从0计数到2^K-1。其中的第（K+1）位（19）与启始/结束逻辑（2）相连，作为控制位，用于在这段持续时间的最后，即第（2^K-1）个时钟周期时关闭测量窗口。相应地，时间标识寄存器（6）包括一个K位寄存器，直方图存储器（7）包括（2^K×D）RAM，加1计数器（8）包括D位二进制计数器，可以并行装载，其中D表示数据的字长。

在本发明装置的第二个最优实施例中，该时间标识寄存器（6）有几倍容量。这样在处理上一次撞击的同时，可以探测新的撞击。如果这个多时间标识寄存器由R个独立的K位寄存器组成，那么在处理一次撞击期间，可以探测最多由R个新撞击组成的撞击序列。因此仅受一次撞击处理时间限制的两次撞击间的暂时清晰度通过时间标识寄存器（6）的这个特定实施例，可被降低。

在本发明装置的第三个最优实施例中，多个MTIA（13a-d）并行使用，它们各用延迟的系统时钟定时。一个前期的撞击分配器（14）将撞击信号（25a-d）分配给MTIA（13a-d）。这种设计可用来提高整个系统的暂时清晰度。比如并行连接4个MTIA，相当于将系统时钟4分频，则瞬时清晰度可以提高到原来的4倍。

本发明方法及其相应装置的优点将从下面的数字中得到证实。

在一个实施方案中，撞击处理过程，即包括存贮器寻址读取数据，递增一次并重新装入存贮器，最多花费了44ns时间。因此脉冲对分辨率亦为44ns。如果系统时钟频率为250MHz，则暂时清晰度为4ns。那么，当时间标识寄存器为10位时，测量窗口开启的时间即为（2¹⁰×4ns）＝4ls。这样在4ls的整个处理过程中可以有90次撞击被探测、分析及处理。如果该系统按最佳实施例中所述的变动进行扩充，则处理时间44ns和暂时清晰度4ns均被减少，而可处理的撞击次数也增多。另外还可以通过增加通道数K或字长D而获得额外扩展。

总之，本发明方法及相应的装置可以大大缩短处理时间，且系统扩展方便。能在改善暂时清晰度及脉冲对分辨率的同时减少处理时间。

很明显，从本发明上述教导出发可能作出多种修改和变化，因此，在所附权利要求书范围内，本发明可能比以上介绍的有更多的应用。

Claims

1、一种测定撞击的频率/时间分布图的方法，该方法包括以下步骤：

a)在测量窗口内检测多次不同的撞击；

b)经过一定的测量周期后，及时测定特定测量周期期间的撞击频率分布，其中

c)所述撞击探测、撞击分析和撞击后期处理均实时完成；

d)每个测量周期可处理的撞击次数仅由对单次撞击的探测到后期处理的时间所限定。

e)在使得外部启始脉冲与系统时钟同步后，

f)开启测量窗口；

g)从测量窗口开启时起，开始对通过的时钟周期进行计数；

h)撞击信号被锁定与系统时钟同步；以及

i)被标以自测量窗口开启以来所经过的时钟周期数，称为时间标识；

k)对至此测定的具有此特定时间标识值的撞击次数加1，

l)随着测量窗口的重复开启，可产生撞击序列的频率/时间分布图，因为，对应于每个时间标识值的撞击次数是累加在一起的。

2、如权利要求1所述的方法，其测量窗口仅在出现启始脉冲并延时一定时间后才开启。

3、实现如权利要求1所述方法的装置，包括：

a）一个控制单元，该单元最好包括一台个人计算机（PC机），用于控制该方法的实现，

b）一台多时间间隔分析仪（MTIA）（13），用于探测、分析和处理撞击序列，和

c）一个MTIA（13）与PC机之间的PC接口（11），一方面使PC机的信号（36，37）适应MTIA（13）所要求的格式，另一方面，使MTIA（13）的信号（29，31）适应PC机所要求的格式，MTIA（13）包括：

d）两个输入端（20，21），其中之一为撞击信号输入端（20），另一个为启始脉冲信号输入端（21）;

e）一个时钟发生器（14），用以产生数字式系统时钟（22）;

f）一个启始脉冲同步电路（1），其第一输入端连接到启始脉冲输入端（21），第二输入端连接到时钟发生器（4）的输出端，使得启始脉冲输入端（21）的启始脉冲与系统时钟（22）同步;

g）一个启始/结束逻辑电路（2），其第一输入端连接到启始脉冲同步电路（1）的输出（23），其第二输入端连接到系统时钟（22），用于控制测量窗口的开启和关闭;

h）一个时间标识计数器（3），其第一输入端连接到系统时钟（22），其第二输入端连接到启始/结束逻辑电路（2）的输出端（24），用于在启始/结束逻辑（2）的输出（24）有效时，累计系统时钟（22）的脉冲;

i）一个撞击同步电路（5），其第一输入端连接到撞击信号输入端（20），其第二输入端连接到时钟发生器（4）的输出端（22），使撞击输入端（20）的撞击信号与系统时钟（22）同步;

k）一个“与”门（12），其第一输入端连接到撞击同步电路（5）的输出（25），其第二输入端连接到启始/结束逻辑电路的输出端（24），对这两个信号作“与”逻辑;

l）一个时间标识寄存器（6），其装载输入端连接到“与”门（12）的输出，其数据输入端连接到时间标识计数器（3）输出端（26），当装载输入端上的信号出现上升沿或下降沿时，读入时间标识计数器输出端（26）的数值;

m）一个直方图存储器（7），其地址输入端连接到时间标识寄存器（6）的输出端，并将由地址输入端寻址到的存贮单元的内容送到其数据输出端;

n）一个加1计数器（8），其数据输入端与直方图存储器（7）的数据输出端相连，并将其数据输入端的值加1，和通过其数据输出端将这个值写到由时间标识寄存器（6）的地址输出所寻址到的直方图存储器（7）的存储单元;

o）一个撞击控制逻辑电路（10），选择根据权利要求3中的d-n各步功能;

p）一个控制逻辑（9），控制从PC接口（11）进出的数据和地址流。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于：

a）时间标识计数器（3）包括（K+1）位二进制计数器，当测量窗口开启后，从0计数到2^K-1。其中第（K+1）位与启始/结束逻辑（2）相连，并使启始/结束逻辑（2）关闭测量窗口;

b）时间标识寄存器（6）包括一个k位寄存器;

c）直方图存储器（7）包括一（2^K×D）位RAM，其中D是指数据的字长;

d）加1计数器（8）包括一D位二进制计数器，可以并行装入。

5、如前述任一权利要求的装置，其特征在于：

a）时间标识寄存器（6）包括R个独立的k位寄存器和一个连接着“与”门（12）输出与每个寄存器间的寄存器逻辑电路;

b）这个寄存器逻辑电路以如下方式选择不同的独立寄存器，即，使得在处理一次撞击期间还可以同时探测R-1次其他的撞击，

c）从而提高了两次撞击间的暂时清晰度。

6、如任一前述权利要求所述的装置，其特征在于由于并行地使用多个MTIA（13a-d），而得到更高的暂时清晰度，它们各自用延迟的系统时钟加以锁定，借助MTIA（13a-d）前面的撞击分配器（14）将撞击信号（25a-d）分配给不同的MTIA（13a-d）。