專利名稱：一種基于fpga的分布式測溫a/d采集卡及采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種A/D采集卡及采集方法，尤其涉及 一種用于分布式光纖測溫系統(tǒng)的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡及采集方法。
背景技術(shù)：
隨著電子器件的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的日趨成熟，數(shù)據(jù)采集的采樣速 率已經(jīng)得到飛速發(fā)展，現(xiàn)今的A/D采樣率已經(jīng)達(dá)到10 GS/s。通過A/D采樣在分 布光纖溫度傳感器系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)采集和存貯完全可能。對(duì)于分布式光纖溫度傳 感系統(tǒng)，信號(hào)處理的前提和基礎(chǔ)是要對(duì)Raman后向散射信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)釆集， 然后對(duì)采集來的信號(hào)進(jìn)行處理。因此，可以說信號(hào)采集具有重要意義。近年來由 于高速數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，A/D采樣率大大提高，這從很大程度上提高了系統(tǒng)的 空間分辨率。在分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中，空間分辨率是一個(gè)十分重要的參數(shù)， 在測量溫度場信息時(shí)，總是希望空間分辨率盡可能的好，同時(shí)又要求測溫的精度 盡可能的高。若要改善空間分辨率，必然要提高A/D采樣的速率。若要提高測溫 精度必然要求增加A/D采樣位數(shù)，溫度信號(hào)是淹沒于噪聲之中的，所以實(shí)際采樣 的對(duì)象是帶有噪聲的信號(hào)。A/D的高采樣率與高采樣位數(shù)是相互制約的兩個(gè)參 數(shù)，因此，必須設(shè)計(jì)有效的采集電路方案來滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，包括高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，參考溫 度A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元；高速A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分 布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模 塊用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)
5字信號(hào)；FPGA采集控制及處理單元用以緩存所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字 信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊包括散射光電探測信號(hào) 模塊，放大匹配電路模塊，并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊；散射光電探測信號(hào)模塊用以探 測所述分布式光纖測溫系統(tǒng)中的散射光電信號(hào)，輸出散射光電探測信號(hào)；放大匹 配電路模塊用以放大所述散射光電探測信號(hào)，輸出放大的散射光電探測信號(hào)；A/D 轉(zhuǎn)換模塊用以對(duì)所述放大的散射光電探測信號(hào)進(jìn)行并行采樣。
作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊為雙路高速A/D轉(zhuǎn)換 模塊，所述放大匹配電路模塊為兩路放大匹配電路模塊。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模 塊，用以將所述參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述FPGA采集控制及處理單元包括存儲(chǔ)才莫 塊單元，數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，通信傳輸模塊，時(shí)序控制單元；存儲(chǔ)模塊單元用以存 儲(chǔ)所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊和參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理單元 與存儲(chǔ)模塊單元相連，用以對(duì)所述存儲(chǔ)模塊單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通信傳輸才莫 塊與數(shù)據(jù)預(yù)處理單元相連，用以將所述數(shù)據(jù)預(yù)處理單元輸出的處理結(jié)果通過總線 送入PC處理器中顯示出來；時(shí)序控制單元分別與所述存儲(chǔ)模塊單元，數(shù)據(jù)預(yù)處 理單元以及通信傳輸模塊相連，用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集卡的精確時(shí)序控制以及協(xié)調(diào)工 作。
基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，包括以下步驟
步驟一，高速A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字 化，輸出數(shù)字信號(hào)；
步驟二，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬 信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度^:字信號(hào)；
步驟三，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出 的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟一中，散射光電信號(hào)通過散射光電探測信 號(hào)模塊成為散射光電探測信號(hào)，再經(jīng)過放大匹配電路模塊轉(zhuǎn)換成放大的散射光電探測信號(hào)，最后經(jīng)并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，步驟二中，參考溫度點(diǎn)模塊通過測量參考光
纖環(huán)溫度，輸出參考溫度模擬信號(hào)；所述參考溫度模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換才莫塊采樣
成為參考溫度數(shù)字信號(hào)。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，步驟三中，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)
據(jù)，與參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，均存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊單元中，再經(jīng)數(shù)據(jù)
預(yù)處理單元進(jìn)行處理，處理結(jié)果由通信傳輸模塊通過總線送入PC處理器中顯示出來。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊為雙路高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述放大匹配電路模塊為兩路放大匹配電路模塊。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用大規(guī)3莫可編程邏輯器件FPGA組成AD采集控制及預(yù)處理單元及相關(guān)輔助電路模塊設(shè)計(jì)了 一種實(shí)用的高速高精度分布式測溫專用AD采集卡，可對(duì)分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)兩路拉曼信號(hào)實(shí)現(xiàn)100MHz的高速AD采集及進(jìn)行多次平均累加等預(yù)處理功能。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1為實(shí)施例二的電路原理圖2為大規(guī)j莫可編程邏輯器件FPGA的功能結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于分布式光纖測溫系統(tǒng)的基于FPGA的分布式測溫A/D釆集卡及釆集方法。其中，分布式光纖測溫系統(tǒng)中的溫度傳感器中攜帶溫度信號(hào)的后向拉曼散射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后以模擬電信號(hào)的形式進(jìn)入主放大電路進(jìn)行放大，出來的信號(hào)電平隨后進(jìn)入高速A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA采集控制及處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，便最終得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度場數(shù)據(jù)。因此，發(fā)出光脈沖后，對(duì)后向拉曼散射信號(hào)進(jìn)行高速的連續(xù)多點(diǎn)采樣，就可獲得沿光纖軸向的溫度場分布，實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感。實(shí)施例一
一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，包括高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元；高速A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；FPGA采集控制及處理單元用以緩存所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊包括散射光電探測信號(hào)模塊，兩路放大匹配電路模塊，2個(gè)并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊；散射光電探測信號(hào)模塊用以探測所述分布式光纖測溫系統(tǒng)中的散射光電信號(hào)，輸出散射光電探測信號(hào)；兩路放大匹配電路模塊用以放大所述散射光電探測信號(hào)，輸出放大的散射光電探測信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換模塊用以對(duì)所述放大的散射光電探測信號(hào)進(jìn)行并行采樣。
所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)。
所述FPGA采集控制及處理單元包括存儲(chǔ)模塊單元，數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，通信傳輸模塊，時(shí)序控制單元；存儲(chǔ)模塊單元用以存儲(chǔ)所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊和參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理單元與存儲(chǔ)模塊單元相連，用以對(duì)所述存儲(chǔ)模塊單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通信傳輸模塊與數(shù)據(jù)預(yù)處理單元相連，用以將所述數(shù)據(jù)預(yù)處理單元輸出的處理結(jié)果通過總線送入PC處理器中顯示出來；時(shí)序控制單元分別與所述存儲(chǔ)模塊單元，數(shù)據(jù)預(yù)處理單元以及通信傳輸模塊相連，用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集卡的精確時(shí)序控制以及協(xié)調(diào)工作。
基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，包括以下步驟
步驟一，高速A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；
步驟二，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；
步驟三，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
步驟一中，散射光電信號(hào)通過散射光電探測信號(hào)模塊成為散射光電探測信號(hào)，再經(jīng)過兩路放大匹配電路模塊轉(zhuǎn)換成放大的散射光電探測信號(hào)，最后經(jīng)并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
步驟二中，參考溫度點(diǎn)模塊通過測量參考光纖環(huán)溫度，輸出參考溫度模擬信號(hào)；所述參考溫度模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣成為參考溫度數(shù)字信號(hào)。
步驟三中，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，與參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，均存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊單元中，再經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理單元進(jìn)行處理，處理結(jié)果由通信傳輸模塊通過總線送入PC處理器中顯示出來。
所述高速A/D轉(zhuǎn)換^^莫塊為雙路高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述放大匹配電路模塊為兩路放大匹配電路模塊。
實(shí)施例二
本實(shí)施例利用大規(guī)4莫可編程邏輯器件FPGA組成A/D采集控制及預(yù)處理單元及相關(guān)輔助電路模塊設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的雙通道高速高精度分布式測溫專用A/D采集卡，其主要^t術(shù)指標(biāo)為
通道數(shù)量2通道獨(dú)立并行采集(1、 2);
每通道采樣速率50 MHz、 100 MHz;
可通過程序控制選擇位數(shù)14位；
輸入信號(hào)帶寬100MHz;
輸入方式± 500mV， 士5V信號(hào)輸入方式；
可通過程序控制量程每通道采樣深度5GK ( 50x1024 );
功能數(shù)字累加功能、濾波功能、抽點(diǎn)功能、運(yùn)算處理功能；
通信接口 ISA^妾口。
本實(shí)施例的主要^L計(jì)內(nèi)容如為AD前置放大芯片采用AD8352;兩路信號(hào)由14位高速AD轉(zhuǎn)換芯片AD9246作AD轉(zhuǎn)換；參考光纖溫度由AD976作AD轉(zhuǎn)換；大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGAFPGA作AD數(shù)據(jù)采集和累加，數(shù)據(jù)采集深度和累加次數(shù)可由上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)；累加結(jié)果由PC104通過ISA接口讀取；同步方式上
9升沿觸發(fā)，可由上位機(jī)選擇內(nèi)觸發(fā)或外同步。
多次采樣以達(dá)到:t是高采樣速率的效果。在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，Raman散射的信號(hào)是經(jīng)過激光脈沖的激發(fā)而產(chǎn)生的，整個(gè)系統(tǒng)由同步脈沖協(xié)調(diào)工作。換言之，當(dāng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)同步脈沖時(shí)，激光器發(fā)射光脈沖，同時(shí)接收機(jī)開始接收處理由此產(chǎn)生的Raman散射光，該過程可以多次重復(fù)，同時(shí)由于在短時(shí)間內(nèi)溫度場信息可以認(rèn)為是不發(fā)生變化的，因此采樣的信號(hào)也是可重復(fù)出現(xiàn)的。在這種條件下，可以使用一路A/D對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次測量，來提高采樣信號(hào)的信噪比。
高速A/D采樣卡的性能對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在三個(gè)方面①采樣速率及帶寬；②數(shù)據(jù)采集方式；③采樣分辨率和精度；④數(shù)據(jù)信號(hào)處理方法。下面對(duì)其各性能指標(biāo)逐一進(jìn)行分析。
(1) 采樣速率及帶寬
分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)要求系統(tǒng)空間分辨率達(dá)到lm, A/D采樣卡的釆樣速率與其A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間成反比，由此得出在lm的空間分辨率要求下，A/D采樣卡所需的最小采樣速率為100MHz,因此，在對(duì)A/D采樣卡進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，單從系統(tǒng)空間分辨率要求的角度來考慮，其釆樣速率必須不小于100MHz。如果要想再進(jìn)一步提高系統(tǒng)的空間分辨率，則A/D采樣卡的將需要更高的采樣速率。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述高速高精度分布式測溫專用AD采集卡的采樣速率及帶寬為大于等于100 MHz。
(2) 數(shù)據(jù)采集方式
分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)主要用于安全監(jiān)測的領(lǐng)域，該系統(tǒng)測量的空間范圍大，要采集的數(shù)據(jù)量很多，對(duì)系統(tǒng)時(shí)間分辨率的穩(wěn)定可靠性有很高的要求。信號(hào)數(shù)據(jù)采集方式采用了實(shí)時(shí)采樣這種方式，信號(hào)一到就開始逐點(diǎn)采樣，直到將整個(gè)信號(hào)波形采完為止。其主要優(yōu)點(diǎn)是適用于任何信號(hào)波形，無論是否重復(fù)，是單次的還是連續(xù)的。同時(shí)，采樣點(diǎn)以時(shí)間為順序采集，易于實(shí)現(xiàn)波形的快速顯示。其要求A/D采樣卡的處理速度足夠大，即每個(gè)采樣點(diǎn)的采入、量化、存儲(chǔ)、運(yùn)算過程，必須在光源的光脈沖所確定的時(shí)間間隔內(nèi)完成。
特別是當(dāng)其時(shí)，然而，同時(shí)為了保證測得溫度的穩(wěn)定可靠，在其工作中運(yùn)用了數(shù)字Boxcar ^支術(shù)，這將改變系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，大大增加了系統(tǒng)時(shí)間分辨率的負(fù)擔(dān)。也就是說，保證系統(tǒng)溫度分辨率和精度穩(wěn)定可靠，是以犧牲時(shí)間為代價(jià)
的。所以，不能在A/D采樣這一環(huán)節(jié)再耗費(fèi)過多時(shí)間而使時(shí)間分辨率進(jìn)一步惡化。所述高速高精度分布式測溫專用AD采集卡的采取第一種采樣方式-實(shí)時(shí)采樣方式，依靠高速A/D采樣卡器件自身的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換性能來保證系統(tǒng)時(shí)間分辨率的穩(wěn)定可靠性。
(3) 采樣分辨率和精度
在拉曼分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中，由于攜帶溫度信息的后向反斯托克斯拉曼散射光信號(hào)非常微弱，而其反應(yīng)溫度變化量的相應(yīng)電平變化量就更微弱。要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，就要求A/D采樣卡能分辨并以數(shù)字量準(zhǔn)確表達(dá)這一微弱變化，因而系統(tǒng)的可靠性與A/D采樣卡的分辨率和精度有很大的關(guān)系。
A/D采樣卡的分辨率是指A/D采樣卡可分辨的輸入信號(hào)的最小變化量，通常由A/D采樣卡的最低有效位(LSB)決定。A/D采樣卡的精度是指A/D釆樣卡實(shí)際輸出數(shù)字量與對(duì)應(yīng)輸入模擬量之差，通常表示為滿度信號(hào)的百分?jǐn)?shù)(。/。FS)， A/D采樣卡的精度主要受它的量化誤差影響。A/D采樣卡的量化誤差有這樣一個(gè)特點(diǎn)大信號(hào)時(shí)量化誤差小，而小信號(hào)時(shí)量化誤差大，當(dāng)輸入信號(hào)沒有接近滿量程時(shí)，量化誤差會(huì)相對(duì)加大。因此，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，必須增加A/D采樣卡的位數(shù)，這樣可以提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性。然而A/D采樣卡的位數(shù)越多，其轉(zhuǎn)換的速度越慢，這將影響系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。此外，選4奪A/D采樣卡的位數(shù)時(shí)，還應(yīng)考慮與實(shí)際輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍相適應(yīng)。A/D釆樣卡的成本，也是一個(gè)必須考慮的因素。所述雙通道高速高精度分布式測溫專用AD采集卡的位數(shù)為14位。
(4) 數(shù)據(jù)信號(hào)處理方法
在分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中，通常采用時(shí)域累加平均來改善系統(tǒng)的信噪比并恢復(fù)波形的方法。在分布式光纖傳感器中，采用了多點(diǎn)平均的線性累加模式。
經(jīng)過多點(diǎn)累加平均之后，采樣信號(hào)的信噪比大大改善,較未平均前獲得V^倍的提高。時(shí)域數(shù)字信號(hào)累加平均的方法是分布式光纖溫度傳感器信號(hào)處理的基本方法。
所述雙通道高速高精度分布式測溫專用AD采集卡采用大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA作AD數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)累加，數(shù)據(jù)采集深度和累加次數(shù)可由上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。
本實(shí)施例的功能主要是將經(jīng)APD光電轉(zhuǎn)換并經(jīng)寬帶低噪聲主放大電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電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并進(jìn)行多次平均累加等數(shù)據(jù)預(yù)處理后緩存，再由ISA接口通信給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而獲得空間溫度場的分布信息。
本實(shí)施例詳細(xì)描述了 一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，如圖1所示，主要包含雙路14位高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、16位參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊和FPGA采集控制及處理單元。
雙路14位高速A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作流程是散射光電探測信號(hào)輸入于由高速運(yùn)算放大器A/D8352組成的兩路并行的A/D前置放大匹配電路(即圖1所述的兩路放大匹配電路)，兩路并行的A/D前置放大匹配電路的輸出信號(hào)送入由兩片14位lOOMHz高速A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D9246組成的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行并行采樣，兩路A/D采樣數(shù)據(jù)結(jié)果送入在大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA中內(nèi)核設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)模塊作為緩存，以較好地處理A/D采樣卡與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)钠ヅ鋯栴}。
16位參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的工作流程是用于測量參考光纖環(huán)溫度的高精度溫度傳感器的輸出模擬信號(hào)信號(hào)送入由一片16位A/D轉(zhuǎn)換芯片A/D976組成的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行并行采樣，采樣數(shù)據(jù)結(jié)果送入在大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA中作為緩存，以較好地處理A/D采樣卡與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)钠ヅ鋯栴}。
大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA (即FPGA采集控制及處理單元)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA采用XiLinx公司的Spartan-3系列器件內(nèi)核設(shè)計(jì)包括用于信號(hào)采集控制的時(shí)序控制單元，用于存儲(chǔ)的存儲(chǔ)模塊單元，用于預(yù)處理的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元及用于通信的通信傳輸模塊等功能模塊單元。
大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGAFPGA中內(nèi)核設(shè)計(jì)的用于A/D數(shù)據(jù)采集控制的時(shí)序控制單元的功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的精確時(shí)序控制，用于完成整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。
大規(guī)模可編程邏輯器件FPGAFPGA中內(nèi)核設(shè)計(jì)的用于A/D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)模塊單元的功能是存放雙路14位高速A/D轉(zhuǎn)換模塊和16位參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的最近一次采樣的數(shù)據(jù)。
大規(guī)^莫可編程邏輯器件FPGA中內(nèi)核設(shè)計(jì)的用于A/D釆集數(shù)據(jù)預(yù)處理的數(shù)據(jù)預(yù)處理單元由外部輸入的同步脈沖協(xié)調(diào)工作，同步信號(hào)方式為上升沿觸發(fā)，可由上位機(jī)選擇內(nèi)觸發(fā)或外同步。其功能主要是完成將兩路散射光信號(hào)數(shù)據(jù)的前次累加和與當(dāng)前數(shù)據(jù)再次進(jìn)行累加的功能，累加后的結(jié)果存儲(chǔ)起來，數(shù)據(jù)采集深度和
累加次數(shù)可由上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。
大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA內(nèi)核設(shè)計(jì)的通信傳輸模塊實(shí)現(xiàn)把累加后的結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)ISA總線送入PC104處理器顯示出來。
這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是iJL明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，用于分布式光纖測溫系統(tǒng)中，其特征在于，包括高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊，用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；FPGA采集控制及處理單元，用以緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，其特征在于，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊包括散射光電探測信號(hào)模塊，用以探測所述分布式光纖測溫系統(tǒng)中的散射光電信號(hào)，輸出散射光電探測信號(hào)；放大匹配電路模塊，用以放大所述散射光電探測信號(hào)，輸出放大的散射光電探測信號(hào)；并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊，用以對(duì)所述放大的散射光電探測信號(hào)進(jìn)行并行采樣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，其特征在于所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊為雙路高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述放大匹配電路模塊為兩路放大匹配電路模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，其特征在于所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模塊，用以將所述參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡，其特征在于，所述FPGA采集控制及處理單元包括存儲(chǔ)4莫塊單元，用以存儲(chǔ)所述高速iV/D轉(zhuǎn)換模塊和參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，與存儲(chǔ)模塊單元相連，用以對(duì)所述存儲(chǔ)模塊單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；通信傳輸^^莫塊，與數(shù)據(jù)預(yù)處理單元相連，用以將所述數(shù)據(jù)預(yù)處理單元輸出的處理結(jié)果通過總線送入PC處理器中顯示出來；時(shí)序控制單元，分別與所述存儲(chǔ)模塊單元，數(shù)據(jù)預(yù)處理單元以及通信傳輸模塊相連，用以實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集卡的精確時(shí)序控制以及協(xié)調(diào)工作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，高速A/D轉(zhuǎn)換;漠塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；步驟二，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；步驟三，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換;f莫塊輸出的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，其特征在于步驟一中，散射光電信號(hào)通過散射光電探測信號(hào)模塊成為散射光電探測信號(hào)，再經(jīng)過放大匹配電路模塊轉(zhuǎn)換成放大的散射光電探測信號(hào)，最后經(jīng)并列的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所迷的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，其特征在于步驟二中，參考溫度點(diǎn)模塊通過測量參考光纖環(huán)溫度，輸出參考溫度模擬信號(hào)；所述參考溫度模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換;f莫塊采樣成為參考溫度數(shù)字信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，其 特征在于步驟三中，所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，與參考溫度A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，均存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊單元中，再經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理單元進(jìn)行 處理，處理結(jié)果由通信傳輸;漠塊通過總線送入PC處理器中顯示出來。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡的采集方法，其 特征在于所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊為雙路高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述放大匹配 電路模塊為兩路放大匹配電路模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA的分布式測溫A/D采集卡及采集方法，該采集卡包括高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊，F(xiàn)PGA采集控制及處理單元；高速A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的散射光電信號(hào)數(shù)字化，輸出數(shù)字信號(hào)；參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖測溫系統(tǒng)的參考溫度模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出參考溫度數(shù)字信號(hào)；FPGA采集控制及處理單元用以緩存并處理所述高速A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)和所述參考溫度A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考溫度數(shù)字信號(hào)。本發(fā)明對(duì)分布光纖溫度傳感器系統(tǒng)兩路拉曼信號(hào)實(shí)現(xiàn)了100MHz的高速AD采集和多次平均累加等預(yù)處理功能。
文檔編號(hào)G01K11/32GK101672700SQ20091019661
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月27日
發(fā)明者仝芳軒, 周正仙, 剛 席, 斌 楊, 魏 皋 申請(qǐng)人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司