CN116429259A - 一种光纤光栅的光谱处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤光栅的光谱处理系统，包括，全可编程异构多核芯片，以与全可编程异构多核芯片连接的线阵CCD、模数转换器、DDR3存储器、SD卡和LCD触摸屏，全可编程异构多核芯片包括，处理器系统和可编程逻辑资源，处理器系统包括第一处理器和第二处理器；SD卡存储Linux操作系统，Linux操作系统包括Linux用户空间和Linux内核空间；第一处理器搭载裸机程序，用于读取可编程逻辑资源传输至DDR3存储器的光谱数据，解调得到光纤光栅中心波长，将中心波长写入到第一处理器和第二处理器的共享内存中；第二处理器，调用SD卡的Linux操作系统，在Linux将共享内存中的中心波长，传输至模数转换器。本发明体积小、数据吞吐量大、具有强大实时处理能力和高性能数据总线接口。

Description

一种光纤光栅的光谱处理系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅的光谱数据处理技术领域，特别是涉及一种光纤光栅的光谱处理系统。
背景技术
光纤光栅光谱处理系统通过线阵CCD探测光纤光栅传感器的反射光谱，然后对模数转换芯片输出的一维CCD光谱图像采样数据进行读取，最后通过异构多核平台对光谱图像进行显示以及计算得到光纤光栅传感器的中心波长。实时性好，处理能力强的光纤光栅光谱处理系统是基于光谱成像法光纤光栅解调系统的关键技术。
以往光纤光栅光谱处理系统的典型架构有三种：
(1)第一种是FPGA+PC光谱处理系统。线阵CCD输出的光谱图像到模数转换芯片，FPGA对模数转换芯片输出的一维CCD光谱图像采样数据进行读取，然后FPGA将读取到的光谱采样数据在RAM(随机存取存储器)中进行缓存，在完成CCD一帧图像的读取后，通过网络通信的方式将光谱数据发送到电脑，电脑上位机软件读取传输得到的光谱数据后绘图得到光谱图像并显示，同时通过寻峰解调算法对光谱数据计算得到光纤光栅传感器反射谱的中心波长。这种传统的FPGA+PC的光纤光栅光谱处理架构，对硬件性能要求较高，对上位机软件处理数据的性能和效率要求较高，系统不容易做到小型化和低功耗，对于实际工程应用有一定的局限性。
(2)第二种是FPGA+ARM光谱处理系统。线阵CCD输出的光谱图像到模数转换芯片，FPGA对模数转换芯片输出的一维CCD光谱图像采样数据进行读取，然后FPGA缓存得到一帧光谱图像后将光谱数据通过PCB(印刷电路)走线形式传输至ARM(处理器)中，ARM中用寻峰算法对光谱数据进行解调得到光纤光栅传感器反射谱的中心波长，最后将中心波长数据通过串口发送到上位机进行显示存储。这种FPGA+ARM的光纤光栅图像处理架构，硬件设计较为复杂，系统不易小型化。FPGA与ARM之间芯片级的总线互联导致数据带宽非常有限，往往是整个光纤光栅图像处理系统的瓶颈，使得高速大数据量的光纤光栅图像处理系统的数据吞吐能力较差，导致光纤光栅解调性能较低，对高频实时采集的应用场景有一定的局限性。
(3)第三种是FPGA+内部软核光谱处理系统。线阵CCD输出光谱图象到模数转换芯片，FPGA对模数转换芯片输出的一维CCD光谱图像采样数据进行读取，然后FPGA将读取到的光谱数据缓存一帧后发送到由FPGA逻辑资源搭建的软核流水线处理器，软核处理器通过寻峰解调算法对光谱数据进行处理后输出光纤光栅传感器的中心波长，最后上位机通过串口读取中心波长后进行显示存储。这种FPGA+软核处理的方法对FPGA逻辑资源消耗较多，并且软核处理器的时钟信号通常较低，导致软核的性能较差，导致光谱数据的寻峰解调速率较低，因而不能对高速数据进行实时解调，对于要求高采样率的场景有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术中光谱数据吞吐差、光谱数据解调速率低的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种光纤光栅的光谱处理系统，所述处理系统包括，全可编程异构多核芯片，以与所述全可编程异构多核芯片连接的线阵CCD、模数转换器、DDR3存储器、SD卡和LCD触摸屏，
其中，所述全可编程异构多核芯片包括，处理器系统和可编程逻辑资源，所述处理器系统包括第一处理器和第二处理器；所述SD卡存储Linux操作系统，所述Linux操作系统包括Linux用户空间和Linux内核空间；
所述可编程逻辑资源，用于产生线阵CCD、模数转换器的驱动信号和控制信号，以及用于将光谱数据传输至DDR3存储器；
所述第一处理器搭载裸机程序，所述裸机程序，用于读取所述可编程逻辑资源传输至DDR3存储器的光谱数据，执行光谱数据寻峰算法，解调得到光纤光栅中心波长，将中心波长写入到第一处理器和第二处理器的共享内存中；
所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，在Linux用户空间将第一处理器和第二处理器共享内存中的中心波长，传输至模数转换器，所述模数转换器采集中心波长，以光谱图的形式在LCD触摸屏显示。
优选地，所述可编程逻辑资源包括线阵CCD驱动及状态机模块、模数转换驱动及状态机模块、缓冲模块和AXI DNA模块，
所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，在Linux用户空间通过QT应用程序，对中心波长进行图形化用户界面；
并且，对线阵CCD驱动及状态机模块和模数转换驱动及状态机模块进行控制，从而设置所述线阵CCD和所述模数转换器的参数。
优选地，所述模数转换器采集所述线阵CCD传输的光谱数据，传输至所述缓冲模块，
所述可编程逻辑资源，产生AXI DMA模块的数据发送时序，将所述缓冲模块中的光谱数据传输至DDR3存储器。
优选地，当所述处理器系统的中断控制器发出中断信号，所述AXI DMA模块中断向所述DDR3存储器传输光谱数据，第一处理器通过所述裸机程序，读取所述缓冲模块中传输至DDR3存储器的光谱数据。
优选地，所述可编程逻辑资源的所述缓冲模块，通过I/O读入各像素点光谱数据，当缓存达到一帧后通过AXI DMA模块以AXI DMA方式写入DDR3存储器。
优选地，所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，当在Linux用户空间检测到外部HDMI接口插入后，对外输出图形化用户界面的中心波长。
优选地，所述处理器系统还包括GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口、HDMI接口，以及定时器和中断控制器。
优选地，所述处理器系统通过GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口和HDMI接口对各外部设备的驱动。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，采用全可编程异构多核芯片，使用其片内的FPGA逻辑资源和硬核ARM，系统显著降低了FPGA+PC架构下光纤光栅光谱处理系统硬件设计的复杂性，解决了FPGA+ARM架构下芯片级级互联带来的数据传输带宽小导致的光谱数据吞吐差的问题，以及FPGA+软核光纤光栅光谱处理系统光谱解调速率较低的问题。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，采用全可编程异构处理平台ZYNQ，降低了硬件设计的难度，大大缩小了光纤光栅处理系统的体积与功耗。在片内使用AXI DMA技术传输光谱数据，降低了光谱数据的延时，消除了芯片间互联产生的带宽瓶颈，增加了系统对高速大数据量的实时处理能力。.构建了基于异构多核的光纤光栅光谱处理系统，片内的两个ARM和可编程逻辑资源各自分工不同，提升了系统整体的并行效率。构建了LCD触摸屏、HDMI、串口、以太网口多种外设，扩展了系统的应用场景，提升了系统的通用性。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，利用ZYNQ的可编程逻辑资源实现对线阵CCD、模数转换芯片的驱动时序，完成对线阵CCD模块输出的光谱图像进行A/D采集与异步FIFO缓存；利用ZYNQ芯片的可编程逻辑资源实现对AD9826输出的数字量的读取，并通过基于AXIS总线的AXIDMA模块将A/D数据传输到DDR3中；利用ZYNQ芯片的第一处理器CPU0实时响应AXI DMA中断来读取DDR中的光谱数据，第一处理器CPU0运行裸机程序实现光谱数据的寻峰算法解调，并将原始光谱数据与解调得到的中心波长数据写入CPU0和CPU1的共享内存中；利用ZYNQ芯片的第二处理器CPU1运行Linux操作系统，在Linux系统中读取共享内存中的中心波长数据，并编写基于QT的显示控制界面将光谱图像与波长信息显示。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，涉及光纤光栅光谱数据的获取、传输、显示技术，利用全可编程处理平台ZYNQ，以其片内的可编程逻辑资源和双核ARM嵌入式处理器为核心，配以辅助的模数转换电路，对光纤光栅传感器反射的光谱图像进行实时处理与显示。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，用户IP基于AXI4总线设计使得IP集成更加灵活，通用性强。
本发明提供的一种光纤光栅的光谱处理系统，体积小、数据吞吐量大、具有强大实时处理能力和高性能数据总线接口。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了本发明一种光纤光栅的光谱处理系统的结构框架示意图。
图2示出了本发明第一处理器和第二处理器的数据处理结构框架示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
如图1所示本发明一种光纤光栅的光谱处理系统的结构框架示意图，图2所示本发明第一处理器和第二处理器的数据处理结构框架示意图，结合图1和图2，根据本发明的实施例，提供了一种光纤光栅的光谱处理系统，包括，全可编程异构多核芯片(ZYNQ)100，以与全可编程异构多核芯片100连接的线阵CCD200、模数转换器300、DDR3存储器400、SD卡500和LCD触摸屏。
在一个优选的实施例中，全可编程异构多核芯片100选用Xilinx Zynq-7000系列，型号为：XC7Z020-CLG400-2。
根据本发明的实施例，全可编程异构多核芯片100包括，处理器系统(processsystem，PS)102和可编程逻辑资源(programmable logic，PL)101。
处理器系统102包括第一处理器CPU0和第二处理器CPU1。在一个实施例中，第一处理器CPU0和第二处理器CPU1均为ARM cortex A9处理器。
处理器系统102还包括集成的GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口、HDMI接口，以及定时器和中断控制器。
HDMI接口最高支持1080P@60Hz的输入输出，USB接口支持与PC的串口通信。
处理器系统102通过GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口和HDMI接口对各外部设备的驱动。
第一处理器CPU0和第二处理器CPU1都有独立的多媒体处理引擎，浮点数运算单元、内存管理单元以及32KB的一级指令和数据高速缓存，共享512KB的二级缓存以及256KB的片上存储器。第一处理器CPU0和第二处理器CPU1最高运行频率为767MHz，具备8个DMA(Direct Memory Access)通道。
可编程逻辑资源101，本质上是Xilinx FPGA，采用BGA封装，具有85K个逻辑单元，53200个6输入查找表结构，106400个触发器，4.9Mb的片上RAM，共有400个引脚。
可编程逻辑资源101，内部共有9个AXI接口，包括：4个AXI_HP接口为PL访问DDR和片上存储器提供高带宽的数据通路，4个AXI_GP接口实现任意主从设备的连接，1个AXI_ACP接口提供了可编程逻辑访问处理器缓存的低延时通路。
根据本发明的实施例，可编程逻辑资源101，用于产生线阵CCD200、模数转换器300的驱动信号和控制信号，以及用于将光谱数据传输至DDR3存储器400。
具体地，可编程逻辑资源101包括线阵CCD驱动及状态机模块、模数转换驱动及状态机模块、缓冲模块和AXI DNA模块。
根据本发明的实施例，SD卡500存储Linux操作系统，Linux操作系统包括Linux用户空间和Linux内核空间。SD卡500容量不小于4GB，采用FAT32文件系统。具体地，SD卡500选用SanDisk的8GB的SD卡，文件系统为FAT32，用于存储LINUX镜像，挂载文件系统，以及相关的启动配置文件，系统运行时用于存储系统运行状态以及相关文件。
模拟转换器300采用双相关采样，可选单字节输出模式，输出增益可编程控制。具体地，模拟转换器300为ADI公司的AD9826，28lead SSOP封装。支持相关双采样，三通道16bit工作方式最高15MSPS，单通道16bit工作方式最高支持12.5MSPS，具有可编程增益，具备三线串行数字接口。
DDR3存储器400选用的是SK Hynix生产的H5TQ4G63AFR-PBC，容量在512M—8GB之间，单片4Gbit(512MB)，数据总线位宽为32bit。
LCD触摸屏为7寸屏，支持IIC总线协议的驱动。本发明还包括显示器，显示器带有标准的HDMI接口，支持1080P@60Hz视频格式。
在一个实施例中，一种光纤光栅的光谱处理系统还包括以太网PHY芯片，提供网络通信服务。以太网PHY芯片型号为Realtek RTL8211E-VL，与处理器系统102的GPIO接口连接，支持10M/100M/1000M的网络传输速率，支持速度自适应。
根据本发明的实施例，如图2所示，第一处理器CPU0搭载裸机程序，裸机程序，用于读取可编程逻辑资源101传输至DDR3存储器400的光谱数据，执行光谱数据寻峰算法，解调得到光纤光栅中心波长，将中心波长写入到第一处理器CPU0和第二处理器CPU1的共享内存中。
如图2所示，第二处理器CPU1，调用SD卡500的Linux操作系统，在Linux用户空间将第一处理器CPU0和第二处理器CPU1共享内存中的中心波长，传输至模数转换器300，模数转换器300采集中心波长，以光谱图的形式在LCD触摸屏显示。
本发明线阵CCD200输出光谱数据后经模数转换器300进行模数转换后输出16bit的光谱数据，与全可编程异构多核芯片100的输入输出引脚直接连接。全可编程异构多核芯片100的可编程逻辑部分的时序驱动逻辑和数据采集逻辑，以模块IP的形式通过AXI4数据总线连接到AXI DMA模块，基于AXI总线的AXI DMA模块连接到全可编程异构多核芯片100的片内第一处理器CPU0和第二处理器CPU1，第一处理器CPU0和第二处理器CPU1通过全可编程异构多核芯片100内部集成的控制器控制外围设备。
本发明通过模数转换器300对线阵CCD获取得到光纤光栅的光谱数据进行采样，实现线阵CCD输出的光纤光栅光谱数据的采集、传输、处理和显示。
具体的实施例中，本发明一种光纤光栅的光谱处理系统的工作过程为：
线阵CCD获取得到光纤光栅的光谱数据，模数转换器300采集线阵CCD传输的光谱数据，传输至缓冲模块。可编程逻辑资源101，产生AXI DMA模块的数据发送时序，将缓冲模块中的光谱数据传输至DDR3存储器400。
进一步地，可编程逻辑资源101的缓冲模块，通过I/O读入各像素点光谱数据，当缓存达到一帧后通过AXI DMA模块以AXI DMA方式写入DDR3存储器400。
根据本发明的实施例，处理器系统102启动过程为：上电复位后第二处理器CPU1调用SD卡500的Linux操作系统，执行SD卡500中的BOOT.bin文件，对处理器系统102的外设进行初始化，使得处理器系统102可以正常访问外设，加载第一阶段引导程序(FSBL)完成对处理器系统102的初始化，加载可编程逻辑资源101的bit文件进行配置。
加载第二阶段引导程序(SSBL)和裸机程序到内存空间，然后跳转执行uboot完成更多外设的初始化，完后将Linux内核空间复制到DDR内存中，展开设备树，在第二处理器CPU1上启动Linux操作系统与QT应用程序。最后由第二处理器CPU1将裸机程序的入口地址写入第一处理器CPU0的程序加载地址，在第一处理器CPU0上运行裸机程序。
处理器系统102启动后，第一处理器CPU0搭载裸机程序，当处理器系统102的中断控制器发出中断信号，第一处理器CPU0读取中断信号，发起中断控制，AXI DMA模块中断向DDR3存储器400传输光谱数据，第一处理器CPU0通过裸机程序，读取缓冲模块中由AXI DMA模块传输至DDR3存储器的光谱数据，执行光谱数据寻峰算法，解调得到光纤光栅中心波长，将中心波长写入到第一处理器CPU0和第二处理器CPU1的共享内存中。
第二处理器CPU1，调用SD卡500的Linux操作系统，在Linux用户空间将第一处理器CPU0和第二处理器CPU1共享内存中的中心波长，传输至模数转换器300，模数转换器300采集中心波长，以光谱图的形式在LCD触摸屏显示。
进一步地，在光纤光栅的光谱处理的过程中，第二处理器CPU1，调用SD卡500的Linux操作系统，在Linux用户空间通过QT应用程序，对中心波长进行图形化用户界面。当在Linux用户空间检测到外部HDMI接口插入后，对外输出图形化用户界面的中心波长。
在一个实施例中，第二处理器CPU1，调用SD卡500的Linux操作系统，在Linux内核空间，对线阵CCD驱动及状态机模块和模数转换驱动及状态机模块进行控制，驱动可编程逻辑资源101产生线阵CCD200、模数转换器300的驱动信号和控制信号，从而设置线阵CCD200和模数转换器300的参数。
在一个实施例中，处理器系统102的第二处理器CPU1运行SD卡500的Linux操作系统，通过GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口和HDMI接口对各外部设备的驱动。
本发明中，Linux内核空间执行Linux驱动，提供了Linux操作系统服务以及上层QT应用程序与底层硬件交互的接口。IIC接口驱动和HDMI接口驱动使得QT应用程序可以直接修改LCD触摸屏屏的寄存器参数以及驱动HDMI输出显示图像的分辨率(通过VDMA送给HDMI接口)。GPIO接口驱动是为了控制系统状态的显示以及为其他模块提供复位信号，USB接口驱动提供了键盘鼠标的控制。
本发明裸机程序为底层硬件提供软件接口，使得裸机程序可以访问可编程逻辑资源101的缓冲模块，实现光纤光栅光谱数据从可编程逻辑资源101缓存到DDR3存储器400。
本发明运行在第一处理器CPU0上的裸机程序，实现的从可编程逻辑资源101的缓存到DDR3存储器400的DMA传输，以及对光纤光栅光谱数据的寻峰算法的中心波长的解调，并实现将解调结果到共享内存的搬移。
第二处理器CPU1运行Linux操作系统，运行QT应用程序和图形显示界面，实现对共享内存数据的读取以及光谱图的绘制，以及对基于异构多核光纤光栅光谱图像处理系统的启动及参数配置。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种光纤光栅的光谱处理系统，其特征在于，所述处理系统包括，全可编程异构多核芯片，以与所述全可编程异构多核芯片连接的线阵CCD、模数转换器、DDR3存储器、SD卡和LCD触摸屏，
其中，所述全可编程异构多核芯片包括，处理器系统和可编程逻辑资源，所述处理器系统包括第一处理器和第二处理器；所述SD卡存储Linux操作系统，所述Linux操作系统包括Linux用户空间和Linux内核空间；
所述可编程逻辑资源，用于产生线阵CCD、模数转换器的驱动信号和控制信号，以及用于将光谱数据传输至DDR3存储器；
所述第一处理器搭载裸机程序，所述裸机程序，用于读取所述可编程逻辑资源传输至DDR3存储器的光谱数据，执行光谱数据寻峰算法，解调得到光纤光栅中心波长，将中心波长写入到第一处理器和第二处理器的共享内存中；
所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，在Linux用户空间将第一处理器和第二处理器共享内存中的中心波长，传输至模数转换器，所述模数转换器采集中心波长，以光谱图的形式在LCD触摸屏显示。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述可编程逻辑资源包括线阵CCD驱动及状态机模块、模数转换驱动及状态机模块、缓冲模块和AXIDNA模块，
所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，在Linux用户空间通过QT应用程序，对中心波长进行图形化用户界面；
并且，对线阵CCD驱动及状态机模块和模数转换驱动及状态机模块进行控制，从而设置所述线阵CCD和所述模数转换器的参数。
3.根据权利要求2所述的处理系统，其特征在于，所述模数转换器采集所述线阵CCD传输的光谱数据，传输至所述缓冲模块，
所述可编程逻辑资源，产生AXIDMA模块的数据发送时序，将所述缓冲模块中的光谱数据传输至DDR3存储器。
4.根据权利要求3所述的处理系统，其特征在于，当所述处理器系统的中断控制器发出中断信号，所述AXIDMA模块中断向所述DDR3存储器传输光谱数据，第一处理器通过所述裸机程序，读取所述缓冲模块中传输至DDR3存储器的光谱数据。
5.根据权利要求3所述的处理系统，其特征在于，所述可编程逻辑资源的所述缓冲模块，通过I/O读入各像素点光谱数据，当缓存达到一帧后通过AXIDMA模块以AXIDMA方式写入DDR3存储器。
6.根据权利要求2所述的处理系统，其特征在于，所述第二处理器，调用所述SD卡的Linux操作系统，当在Linux用户空间检测到外部HDMI接口插入后，对外输出图形化用户界面的中心波长。
7.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述处理器系统还包括GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口、HDMI接口，以及定时器和中断控制器。
8.根据权利要求7所述的处理系统，其特征在于，所述处理器系统通过GPIO接口、IIC接口、USB接口、以太网接口、SD卡接口和HDMI接口对各外部设备的驱动。
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