高速光纤拉曼测温的数据采集系统

徐 为, 王瑞红

(1.黑龙江科技学院 计算机与信息工程学院,哈尔滨 150027;2.黑龙江大学 计算机学院,哈尔滨 150001)

高速光纤拉曼测温的数据采集系统

徐 为1,2, 王瑞红1

(1.黑龙江科技学院 计算机与信息工程学院,哈尔滨 150027;2.黑龙江大学 计算机学院,哈尔滨 150001)

为解决目前传感系统中信号处理系统实时性差的问题,应用新型的可编程器件和DSP器件实现分布式光纤温度传感信号的高速采集和实时处理。系统以新型的 DSP器件 BF533为控制核心,应用可编程器件 FPGA对斯托克斯和反斯托克斯原始信号进行高速采集和并行数据处理,预处理结果由DSP进行精确的数值计算。系统具有USB数据存储和液晶显示功能,还可通过高速网络接口将测量数据发送到监控计算机。实验结果表明:该系统测量速度快、测温精度高,可实现高性能的温度测量。

拉曼测温;BF533;FPGA;并行数据处理

0 引 言

光纤以其电绝缘性好、抗电磁干扰强、布设方便等优点,在恶劣环境下的温度测量中得到广泛应用。分布式温度传感系统可在连续的光纤长度上,采用光时域反射计技术,对沿光纤传输路径上的温度空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。目前,基于光纤拉曼效应的温度传感系统已应用于电厂的高压电缆温度监测以及煤矿、油田和石化等领域[1-3]。但其测温精度、空间分辨率和实时特性均受数据采集系统的限制,通用的高速采集卡和 PC机组合的方案亦无法完成更快的数据处理过程。为此,笔者根据实际需求,设计一套高速数据采集和处理的电路系统。

1 采集系统组成

设计采用新型 FPGA器件结合高速AD器件实现双路并行数据采集,应用 FPGA硬件执行数值算法,由高速数字信号处理器 DSP器件执行数值计算,使传感数据在最快的时间内得到处理,提高测量系统的实时性,并应用DSP器件实现 100兆网络接口,实现监测数据的远程传输。系统的组成如图 1所示。

图1 系统组成Fig.1 Block diagram of system

数据采集系统由微弱光电探测器件、模拟信号调理电路、高速ADC电路、FPGA电路、DSP数据处理和接口电路组成。雪崩光电二极管是将微弱的光纤后向拉曼散射的反斯托克斯光、斯托克斯光转换成电信号的器件。它比 P IN光电二极管具有更高的灵敏度和响应速度。APD输出的电信号经三级高速运算放大器放大后输入高速的模数转换器件。数字化的信号由 FPGA和DSP实时处理。下文着重介绍模拟信号的数字化和数据处理部分。

2 模数转换器件性能

系统采用两路高速AD同步,并分别对斯托克斯和反斯托克斯信号进行高速采样。AD公司的AD9054是高速双极性工艺的 100MSPS 8位并联比较型模数转换芯片,转换速率极高,无需额外的采样保持电路,内部拥有 256个高速电压比较器,在转换信号的上升沿,比较器将模拟输入电压进行比较并锁存比较结果。在信号转换的下降沿作8位数字编码,并将结果锁存于输出电路中,一直保存到下一个转换脉冲的到来,而其数字信号部分的输入输出电平均为 TTL电平。AD9054具有高带宽、低功耗、高采样率、稳定性高的特点,适于光纤拉曼测温系统的应用,能够保证测量系统的空间分辨率与温度测量精度。AD9054的双通道模式的工作时序如图 2所示,FPGA与 AD9054的接口时序依据图 2实现。

图2 双通道模式的时序Fig.2 T im ing-dual channelmode

3 数据预处理模块设计

在高速数据采集方面,FPGA有着普通的单片机和DSP所无法比拟的优势。FPGA时钟频率高,内部时延小,目前器件的最高工作频率可超过300 MHz;硬件资源丰富,单片集成的可用门数达1 000万门;全部控制逻辑由硬件资源完成,速度快,效率高[4]。利用 FPGA进行数据预处理和作为AD芯片与存储系统间的接口电路十分合适。通过编写VHDL代码设计与AD芯片和存储介质的逻辑控制接口。文中利用 FPGA内部高速双口 RAM作为测量数据的缓冲单元,当 FPGA向DSP发出读取信号时,DSP将缓存中的数据读入并处理。

在数据处理方面,由于分布式光纤温度传感器系统中通常采用时域累加平均来改善系统的信噪比并恢复波形,所以系统应用 FPGA的 I/O接口读取AD9054的转换数据,利用可编程器件内部的存储器作为采集系统的数据缓存,通过 FPGA的算法对原始数据进行累加处理。数据采集和累加采用内部数据流水线结构,使采集和累加可以同时进行,满足了数据高速采集处理的要求。FPGA的数据采集模块如图3所示。

图3 FPGA的数据采集模块Fig.3 Data acquisition module of FPGA

4 微处理器的选择和接口功能

ADSP-BF533是 AD I公司 Blackfin系列中的一款 16位定点处理器,是专门应用在数字图像处理领域的,其运算能力强,接口丰富,可以方便地进行各种外设的扩展。系统中 BF533采用 AD I和 Intel公司联合开发的MSA构架技术,具有600MHz时钟频率和 1.2 G MACS(每秒十亿次乘法累加运算)的运算速度,其内含 2个 16位乘法器,2个 40位累加器,2个 40位算术逻辑单元 (ALU),4个视频 ALU以及 1个 40位移位器[5]。内部采用多总线结构,大大提高了DSP的运行速度;采用八级指令流水线结构,降低了指令执行周期,提高了DSP指令吞吐量,充分满足系统的技术要求。

由于ADSP-BF533的优异性能,笔者选用它实现数值算法和利用网络将测量结果发送至远端服务器。具体功能包括:

(1)根据ADSP-BF533主频高的特性,高速采集 FPGA预处理的数据,满足系统高速测量的要求。

(2)对采集数据进行数值处理,计算出温度曲线的斜率和增益,并根据标定数据进行差值调整。

(3)驱动彩色液晶显示屏,计算出温度分布曲线,并实时刷新温度的变化趋势。

(4)驱动网络接口,与工控机进行数据传输。

DSP对从 FPGA内部的 RAM中读取预处理后的数据进行数值计算,得出温度曲线的斜率和增益并进行差值调整。这是光纤拉曼测温系统能否正常工作的关键,测温系统必须根据实际的测量值不断调整参数来保证测量的准确性。温度曲线调整算法软件流程图如图 4所示,其调整过程见图 5。

图4 温度曲线调整算法Fig.4 Algorithm adjust for curve of temperature

图5 温度曲线调整过程Fig.5 Process of adjustment

5 网络数据传输模块设计

在系统中,利用 TCP/IP协议中的UDP(用户数据报文协议)、IP(网络报文协议)、ARP(地址解析协议)以及简单的应用层协议实现了ADSP-BF533的网络互联,既保证了数据传输的速度,又保证了数据传输的正确性。系统中这部分功能由ADSP-BF533控制网卡芯片DM9000实现。DM9000快速以太网控制处理器合成了MAC、PHY、MMU。该处理器配备有标准10M/100 M自适应,16 K大容量的 FIFO、4路多功能 GP IO,掉电,全双工工作等功能。物理层支持以太网接口协议。系统工作时,首先对网卡芯片进行初始化。该过程是通过DSP对DM9000外部控制总线和数据总线的读写操作完成的。ADSP-BF533主要完成数据的解包打包,当有数据传输过来,DSP对数据包进行分析,如果是ARP数据包,则程序转入ARP处理程序。如果是 IP数据包且传输层使用UDP协议,端口正确,则认为数据包正确,数据解包后,将数据按照UDP协议格式打包,送入DM9000器件,由DM9000将数据输出到网络中。

6 实验测试

6.1 实验条件

光纤拉曼测温数据采集系统中,激光的激发波长是λ=1 550 nm,光纤的拉曼位移Δv=440 cm-1。在 1 km的光纤中距尾端 600 m处绕制一个光纤绕组,放入热水中,其余光纤均处于室温中,在示波器上得到的反斯托克斯拉曼散射光强度的光时域反射曲线,如图 6所示。其中,图 6a表示反斯托克斯拉曼散射光的强度分布,经过换算可以转换为温度的分布;图 6b表示的是光电转换及射频模拟信号的频率响应曲线,微弱信号光电探测电路的带宽可以保证系统空间分辨率为 1 m的要求。

图 6 反斯托克斯拉曼散射光曲线和探测器频响曲线Fig.6 Curve of anti-Stokes Raman scattering light and frequency curve of detector

6.2 分布式测温

取一根4 km多模光纤,激光器工作波长1 550 nm,脉宽15 ns,输出功率3W,滤波器工作波长1 451 nm/ 1 550 nm/1 663 nm,隔离度 35 db。放大器:拉曼信号主放大器(1 451 nm)增益 800倍;探头互阻放大增益 25 k。带宽 50 MHz,在 2 430 m处用热水加热10 m光纤,得到的斯托克斯、反斯托克斯拉曼曲线如图7所示。

实际的温度测试曲线平滑 (图 7),符合斯托克斯和反斯托克斯信号的变化规律。图 8是利用图 7的数据进行计算得出的温度分布曲线。实验测得在光纤长度为2 430 m处的温度为58℃,其余光缆测得数值均为室温,与实际测量值完全符合,在 2 000 m的范围内室温测量数据变化在 ±1℃范围内,这些数据证明基于BF533的高速测量系统的性能良好,实验数据结果表明该电路系统性能满足拉曼测温系统的要求,具有很好的应用价值。

7 结束语

高速并行数据采集和处理系统以新型 FPGA和高速DSP器件为核心,能够对双路光纤拉曼测温传感信号进行同步数据采集和并行数值计算。与传统的拉曼测温系统相比,该设计系统具有电路体积小、成本低以及运算速度超快的优点,完全能够替代传统的拉曼测温数据采集系统,具有广阔的应用前景。

[1] 张 颖,张 娟,郭玉静,等.分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势[J].仪表技术与传感器,2007,(08):1-3,9.

[2] 彭 超,赵健康,苗付贵.分布式光纤测温技术在线监测电缆温度[J].高电压技术,2006,32(08):41-43.

[3] 侯培国.分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学,2003.

[4] BAESE U M.数字信号处理的 FPGA实现[M].刘 凌,译.北京:清华大学出版社,2006.

[5] 赵 博,阎达远,张 栋,等.基于ADSP-BF533的最小系统设计[J].现代电子技术,2009,30(09):156-158.

Design of high speed Raman optical fiber temperature data acquisition system

XU W ei1,2,WANG Ruihong1
(1.College of Computer and Information Engineering,Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027,China;2.Institute of Computer,HeilongjiangUniversity,Harbin 150001,China)

The attempt to improve the real-time signal processing system in the current sensing system results in a system capable of high-speed acquisition and real-time processing of distributed fiber optic temperature sensing signal based on application of new programmable devices and DSP.This system with the new device DSP BF533 as the cybernetics core allows high-speed acquisition and parallel data processing of the Stokes and anti-Stokes original signal by using programmable devices FPGA(Field Programmable Gate Arrays),followed by a accurate numerical calculation of the pre-processing using the DSP.The system has the function ofUSB data storage and LCD and it can send measurement data to the monitor computer by high-speed network interface.Experimental results show that the proposed system, capable of highermeasuring speed and more accurate measurement gives a higher performance temperature measurement.

Raman measurement temperature;BF533;FPGA;parallel data processing

TP274;O437.3

A

1671-0118(2010)02-0150-05

2009-12-24

徐 为(1979-),男,山东省黄县人,实验师,学士,研究方向:计算机集散控制,E-mail:xw9076@yahoo.com.cn。

(编辑王 冬)