背景技术
分布式光纤测温系统由于具有抗电磁干扰、结构简单成本低、可实时监测线路温度分布等特点,被广泛应用于天然气、输油管道的泄漏检测、电力电缆的热点保护和温度监测以及煤矿、隧道的火灾报警等领域。
目前,市场上的分布式光纤测温系统大都采用采用传统工控机系统进行温度解调。中国专利文献中,公开号CN203719792U、名称是一种分布式光纤测温装置(参见该申请说明书具体实施方式部分),公开了一种分布式光纤测温装置,该装置包括一放大电路、一采集电路和一ARM微处理器,该ARM微处理器和该采集电路相连接,且该ARM微处理器设在一嵌入式主板上,该放大电路和该采集电路均集成在一采样主板上,但是,该现有技术并没有将采集电路和ARM微处理器集成到一块电路板上,而且显示装置采用的也是体积较大的显示器,因此,这种测温系统存在的缺点主要有以下几个:1)体积比较大,移动性差,不便于携带;2)对工作环境要求高;3)功耗大,发热量高,高能耗容易导致整机发生故障,系统稳定性差,运营成本高;4)产品昂贵,对环境散热通风性要求高,不适宜安装在野外和极端环境中。
因此,为了解决现有技术中存在的问题,研究一种体积小、成本低、可靠性高、使用方便的嵌入式多通道光纤测温系统已经成为一项重要任务。
实用新型内容
本实用新型为了解决传统测温装置体积大、功耗高、可扩展性和安全性差的问题,提出了一种嵌入式多通道光纤测温系统。
本实用新型的技术方案为:
为了解决上述技术问题,本实用新型提供了一种嵌入式多通道光纤测温系统,包括依次连接的激光发生器、波分复用器、基准光纤盒、光开关、外接光纤,以及与波分复用器相连的APD放大模块、与APD放大模块相连的高速采集卡,所述系统还包括与高速采集卡相连的触摸屏,所述高速采集卡包括集成在一块电路板上的FPGA采集模块和ARM处理器,所述高速采集卡通过偏压控制电路与APD放大模块相连;激光发生器的输出端与波分复用器的输入端相连,波分复用器具有三个输出端,波分复用器的一号输出端与基准光纤盒的输入端相连,基准光纤盒的输出端与光开关的输入端相连,光开关的输出端与外接光纤的输入端相连,外接光纤为多路光纤;波分复用器的二号输出端和三号输出端与APD放大模块的输入端相连,APD放大模块的输出端与高速采集卡的输入端相连,高速采集卡的偏压控制端口与APD放大模块的偏压控制端口相连,高速采集卡的输出端与触摸屏输入端相连。
与现有技术相比,本实用新型将FPGA采集模块和ARM处理器集成在一块电路板上,形成高速采集卡,通过FPGA采集模块对光信号进行采集,使用ARM处理器对采集到的数据进行计算,并将计算的温度结果用触摸屏显示;高速采集卡对光数据采集完毕后计算基准光纤盒内光纤数据的光均值,高速采集卡同时采集机箱环境温度并根据采集到的机箱温度值和基准光纤盒内光纤数据的光均值调节APD放大模块的偏压,高速采集卡中的FPGA采集模块将采集的数据传送给ARM处理器;该系统通过高速采集卡进行数据的采集和计算,使用高速采集卡上的ARM处理器代替了传统的分布式测温系统使用工控机电脑解温的功能,具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低、符合大型机房远程监控需求、扩展性佳等优点。同时,本实用新型基于嵌入式系统,将采集、温度解调功能集成到高速采集卡中,功耗低,在给该系统配备蓄电池之后可以长期工作在野外环境中。由于该系统体积小、功耗低,因此不需要风扇散热、便于密闭封装,可以工作在野外等恶劣环境中,而且本实用新型省去了传统光纤测温系统中的计算机、显示器等外围设备,使DTS成本降低、便于大规模生产。
所述FPGA采集模块包括两个采集端口、与两个采集端口分别相连的AD采集电路以及与AD采集电路相连的FPGA;FPGA采集模块的两个采集端口为模拟信号采集端口,用来同步采集两通道的模拟数据,AD采集电路将采集的模拟数据进行AD转换,FPGA则对转换后的数据进行采集累加,并通过DMA接口传送至ARM处理器。
所述AD采集电路包括依次连接的比例放大电路、单端转差分电路以及高速AD电路;FPGA采集模块采集的光信号比较微弱,AD采集电路将光信号放大后再进行AD转换。
所述高速AD电路采用LTC2242UP-12高速AD电路,高速AD电路采用LVDS差分接口与FPGA连接;FPGA用于采集AD采集电路采集的数据并进行累加。
所述ARM处理器具有以太网口、USB口、DMA接口以及两个偏压控制端口,DMA接口用来接收FPGA采集模块的采集数据,USB口和以太网口用来向计算机传送数据,两个偏压控制端口用来输出两通道范围为45V-50V的偏压值输送至APD放大模块;ARM处理器对接收的采集数据进行计算,得到光纤温度,并将得到的温度数据通过触摸屏进行显示,同时还可将温度数据通过USB口或以太网口传递给计算机,通过计算机显示温度;此外,ARM处理器通过偏压控制端口输出两通道范围为45V-50V的偏压值输送至APD放大模块,用来调节APD放大模块的放大倍数。
所述APD放大模块具有两个偏压控制端口,用来接收ARM处理器输送的偏压值调节APD放大模块的放大倍数;APD放大模块具有温度补偿功能。
所述光开关采用多路光开关,用来切换光纤通道;通过ARM处理器控制光开关切换光纤通道,从而为下一次测温做准备。
所述触摸屏通过数据总线向高速采集卡中的ARM处理器传输数据,并用来显示ARM处理器传出的信号,通过触摸屏设置DTS温度解调所需的相关数据,触摸屏通过数据总线向高速采集卡中的ARM处理器传输数据,启动测温,测温系统所测得的结果也可以通过触摸屏显示,使得测温过程更加方便。
所述激光发生器用于发出光脉冲,光脉冲的峰值波长为1550nm;激光发生器的功率可调,发出的光脉冲的频率可调,发出的光脉冲的宽度也可调。
所述波分复用器用于滤出两束背向散射光的拉曼成分,滤出两束光的波长分别为1450nm和1663nm;波分复用器接收激光发生器发出的光脉冲,并将光脉冲打入光纤中,1550nm的光脉冲在光纤中发生散射,背向散射光进入波分复用器,波分复用器能够有效滤出背向散射光的拉曼成分,滤出波长分别为1450nm和1663nm的两束光输出给APD放大模块,APD放大模块对两束光信号进行放大并将放大后的信号输出给高速采集卡,高速采集卡对采集到的信号进行计算,并将计算得到的温度数据通过触摸屏显示。
本实用新型的技术效果为:
本实用新型提供了一种嵌入式多通道光纤测温系统,通过将FPGA采集模块和ARM处理器集成在一块电路板上,形成高速采集卡,通过FPGA采集模块对光信号进行采集,使用ARM处理器对采集到的数据进行计算,并将计算的温度结果用触摸屏显示;该系统通过高速采集卡进行数据的采集和计算,使用高速采集卡上的ARM处理器代替了传统的分布式测温系统使用工控机电脑解温的功能,具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低、符合大型机房远程监控需求、扩展性佳等优点。同时,本实用新型基于嵌入式系统,将采集、温度解调功能集成到高速采集卡中,功耗低,在给该系统配备蓄电池之后可以长期工作在野外环境中。由于该系统体积小、功耗低,因此不需要风扇散热、便于密闭封装,可以工作在野外等恶劣环境中,而且本实用新型省去了传统光纤测温系统中的计算机、显示器等外围设备,实现了DTS分布式光纤测温系统嵌入式小型化,使DTS成本降低、便于大规模生产。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式:
如图1-图3所示,本实用新型提供了一种嵌入式多通道光纤测温系统,包括依次连接的激光发生器1、波分复用器2、基准光纤盒7、光开关6、外接光纤8,以及与波分复用器2相连的APD放大模块3、与APD放大模块3相连的高速采集卡4,所述系统还包括与高速采集卡4相连的触摸屏5,所述高速采集卡4包括集成在一块电路板上的FPGA采集模块9和ARM处理器10,所述高速采集卡4通过偏压控制电路与APD放大模块3相连;激光发生器1的输出端与波分复用器2的输入端相连,波分复用器2具有三个输出端,波分复用器2的一号输出端与基准光纤盒7的输入端相连,基准光纤盒7的输出端与光开关6的输入端相连,光开关6的输出端与外接光纤8的输入端相连,外接光纤8为多路光纤;本实施例中外接了两路光纤;波分复用器2的二号输出端和三号输出端与APD放大模块3的输入端相连,APD放大模块3的输出端与高速采集卡4的输入端相连,高速采集卡4的偏压控制端口12与APD放大模块3的偏压控制端口相连,高速采集卡4的输出端与触摸屏5输入端相连。所述FPGA采集模块9包括两个采集端口11、与两个采集端口11分别相连的AD采集电路以及与AD采集电路相连的FPGA18;FPGA采集模块9的两个采集端口11为模拟信号采集端口,用来同步采集两通道的模拟数据,AD采集电路将采集的模拟数据进行AD转换,FPGA18则对转换后的数据进行采集累加,并通过DMA接口传送至ARM处理器10。所述AD采集电路包括依次连接的比例放大电路15、单端转差分电路16以及高速AD电路17;FPGA采集模块9采集的光信号比较微弱,AD采集电路将光信号放大后再进行AD转换。所述高速AD电路17采用LTC2242UP-12高速AD电路,高速AD电路17采用LVDS差分接口与FPGA18连接;FPGA18用于采集AD采集电路采集的数据并进行累加,累加后将数据输送至ARM处理器10。所述ARM处理器10具有以太网口13、USB口14、DMA接口以及两个偏压控制端口12,DMA接口用来接收FPGA采集模块9的采集数据,USB口14和以太网口13用来向计算机传送数据,两个偏压控制端口12用来输出两通道范围为45V-50V的偏压值输送至APD放大模块3;ARM处理器10对接收的采集数据进行计算,得到光纤温度,并将得到的温度数据通过触摸屏5进行显示,同时还可将温度数据通过USB口14或以太网口13传递给计算机,通过计算机显示温度;此外,ARM处理器10通过偏压控制端口12输出两通道范围为45V-50V的偏压值输送至APD放大模块3,用来调节APD放大模块3的放大倍数。所述APD放大模块3具有两个偏压控制端口,用来接收ARM处理器10输送的偏压值调节APD放大模块3的放大倍数;APD放大模块3具有温度补偿功能。所述光开关6采用多路光开关,用来切换光纤通道;通过ARM处理器10控制光开关6切换光纤通道,从而为下一次测温做准备。所述触摸屏5通过数据总线向高速采集卡4中的ARM处理器10传输数据,并用来显示ARM处理器10传出的信号,通过触摸屏5设置DTS温度解调所需的相关数据,触摸屏5通过数据总线向高速采集卡4中的ARM处理器10传输数据,启动测温,测温系统所测得的结果也可以通过触摸屏5显示,使得测温工作过程更加方便。
嵌入式多通道光纤测温系统工作时,用户首先通过触摸屏5设置DTS温度解调所需的相关数据,然后启动测温。激光发生器1用于发出光脉冲,光脉冲的峰值波长为1550nm;激光发生器1的功率可调,发出的光脉冲的频率可调,发出的光脉冲的宽度也可调;波分复用器2接收激光发生器1发出的光脉冲,并将光脉冲打入光纤中,1550nm光脉冲在光纤中发生散射,背向散射光进入波分复用器2,波分复用器2能够有效滤出背向散射光的拉曼成分,滤出波长分别为1450nm和1663nm的两束光,分别为斯托克斯光和反斯托克斯光,斯托克斯光和反斯托克斯光分别进入APD放大模块3,APD放大模块3对两束光信号进行放大并将放大后的信号输出给高速采集卡4,高速采集卡4采集两路光信号的电压值,高速采集卡4对光数据采集完毕后计算基准光纤盒7内光纤数据的光均值,高速采集卡同时采集机箱环境温度并根据采集到的机箱温度值和基准光纤盒内光纤的光均值调节APD放大模块3的偏压,从而调节APD放大模块3的放大倍数。高速采集卡4中的FPGA采集模块9将采集数据通过DMA接口传递给ARM处理器10。ARM处理器10对采集到的信号进行计算,得到光纤温度并将计算得到的温度数据通过触摸屏5显示。同时,ARM处理器10还可以控制光开关6切换光纤通道,为下一次测温做准备。高速采集卡4上还有USB口14和以太网口13,高速采集卡4可以将计算得到的温度数据通过USB口14或以太网口13传递给计算机,通过计算机显示温度。
该系统通过高速采集卡4进行数据的采集和计算,使用高速采集卡4上的ARM处理器10代替了传统的分布式测温系统使用工控机电脑解温的功能,具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低、符合大型机房远程监控需求、扩展性佳等优点。同时,本实用新型基于嵌入式系统,将采集、温度解调功能集成到高速采集卡4中,功耗低,在给该系统配备蓄电池之后可以长期工作在野外环境中。由于该系统体积小、功耗低,因此不需要风扇散热、便于密闭封装,可以工作在野外等恶劣环境中,而且本实用新型省去了传统光纤测温系统中的计算机、显示器等外围设备,使DTS成本降低、便于大规模生产。