一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統的製作方法

2023-05-05 14:58:56

本發明涉及分布式光纖傳感領域，特別是涉及一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統。

背景技術：

分布式光纖傳感技術是一種可以對一個連續空間的溫度和應力等量進行測量的技術。目前常見的分布式光纖傳感技術主要是基於後向瑞利散射(Rayleigh scattering)的分布式光纖傳感技術、基於拉曼散射((Raman scattering)的分布式光纖溫度傳感技術、基於布裡淵散射(Brillouin scattering)的分布式光纖溫度/應力傳感技術。

空間解析度是分布式光纖傳感中重要的參數，它影響著系統對事件的準確識別和精度定位，理論上分布式光纖傳感的空間解析度主要由脈衝雷射的脈衝寬度所決定，但實際上系統的採樣率對系統的空間解析度也有重要的影響。在光脈衝寬度一定的情況下，採樣率與空間解析度有如下關係：

式中：l為空間解析度，C為真空中的光速，n為光纖的折射率，fsample為採樣頻率。在雷射脈衝寬度及探測器帶寬確定時，採樣率與空間解析度成反比的關係，採樣率越大空間解析度越高，而高解析度是我們所追求的，因此在光脈衝寬度一定的情況下我們需要儘可能大的採用率。

無論是基於OTDR的光纖傳感系統，還是基於BOTDR的光纖傳感系統，光纖傳輸回來的傳感信號都參雜著大量的噪聲信號，甚至被淹沒在噪聲信號裡面，要想把傳感信號從噪聲中提取出來就需要對採集系統採集的傳感信號進行一定的處理，目前比較快捷簡便的方法是累加平均算法處理。

傳感光纖中不只一種背向散射光，布裡淵信號、瑞利信號、拉曼信號等都是同時存在的，在系統中一般只有一種類型的信號是我們所需要的，系統往往受到另外兩種信號的影響。同時傳感光信號經光電探測後，電路中的電流噪聲、熱噪聲、白噪聲等會使原本就微弱的傳感信號完全俺沒在噪聲裡，如果對信號進行單純的放大，雖然傳感信號得到了放大，但是也放大了噪聲信號，同時放大器的固有噪聲也會使信噪比降低。要想把傳感信號從噪聲中提取出來，就需要對採集的傳感信號進行一定的處理，在不改變傳感信號的前提下有效抑制噪聲。目前比較快捷簡便的處理方法是進行累加平均算法處理，累加平均技術主要是利用傳感信號的相關性和噪聲信號的不相關性來達到降噪的目的。

累加平均算法的數學表達式如下式所示：

式中：為N個傳感信號採樣值的算術平均值，N為累加次數，yi為第i個採樣值。

設噪聲的函數表達式為n(t)，傳感信號為y(t)，則第K次採集第i點得到的信號x(t)為：

xki(t)＝yki(t)+nki(t) (公式3)

因為y(t)為周期信號，則未經累加平均處理的信噪比為：

式中：為每次採集噪聲的有效平均值。

假設第K次採集第i點的採集信號為：

xki(t)＝yki(t)+nki(t) (公式5)

經N次累加後，信號值為：

因為y(t)為周期信號，經N次累加後其值會變為原來的N倍，即

而噪聲為隨機信號，經N次累加後其值不是簡單的相加，經N次累加的噪聲按照同級平均規律增強：

因為噪聲的平均有效值為n(t)，則經N次累加後其值為

則經N次累加後的信噪為

由公式(10)可知，經過N次累加平均後，信噪比為原來的倍，平均次數越多信噪比提高越大，因此可以採用多次累加平均的方法對數據進行處理以提取傳感信號。

在對數據進行處理前需要把一次採集的全部傳感數據進行存儲，傳統的方法多採用RAM或者SRAM進行存儲。因為FPGA的存儲資源有限，如果採用RAM進行存儲，存儲的數據量較少，不能滿足長距離的光纖傳感系統；若採用SRAM進行存儲，在大容量存儲時需要多片SRAM進行疊加存儲，這就會增大系統的體積造，且SRAM價格昂貴，在大容量使用時高昂的成本使人難以接受。

SDRAM作數據存儲不僅具有大容量和高速度的特點，而且在價格和功耗方面也佔有很大的優勢，設計方式靈活，可以最大限度的節約資源。因此，本發明專利提出採用價格低、容量大、速度也較快的SDRAM存儲器作為存儲分布式光纖傳感數據的存儲器。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題是提供一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統，針對現有基於FPGA的分布式光纖傳感數據採集、處理系統中，FPGA存儲資源有限而提出的外掛SDRAM存儲模塊作為系統數據的存儲器，該基於SDRAM的分布式光纖傳感數據存儲系統可以快速、大量存儲系統採集的傳感數據，使系統採集的數據得到有效的保存不至於溢出，這對後續累加平均處理提取傳感信號非常的重要。

為解決上述技術問題，本發明採用的一種技術方案是：一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統主要包括ADC模數轉換模塊、FPGA模塊、SDRAM存儲模塊、USB通信模塊組成；其特徵在於：ADC模數轉換模塊的輸出端與FPGA模塊相互連接，FPGA模塊再分別與SDRAM存儲模塊和USB通信模塊的輸入端相互連接。

進一步，所述ADC模數轉換模塊為AD7705雙路16位型號的ADC模數轉換模塊。

進一步，所述FPGA模塊包括第一多路選擇器、第二多路選擇器、第一緩存器、第二緩存器、多位累加器、移位寄存器組成；其特徵在於：第一多路選擇器、多位累加器、移位寄存器和第一緩存器依次串接，第二多路選擇器、第二緩存器和多位累加器再依次串接，共同構成FPGA模塊。

進一步，所述SDRAM存儲模塊包括兩個SDRAM存儲模塊，均為V4220M 64位型號的SDRAM存儲模塊，兩個SDRAM存儲模塊分別FPGA模塊相互連結。

進一步，所述USB通信模塊用以系統與上位機之間相互通信。

本發明的有益效果在於：本發明利用了大規模可編程邏輯器件FPGA的靈活性，設計了基於FPGA的ADC採集控制，緩存控制，累加平均控制，存儲控制。FPGA的高速運行速度，控制ADC晶片進行高速數據採集，有效解決了分布式光纖傳感系統採集速率低而導致空間解析度低的問題；使用兩片SDRAM存儲晶片以桌球方式進行數據存儲，解決了SDRAM不能同時進行讀寫操作的缺陷；SDRAM存儲容量大，有效解決了因系統存儲空間不足而影響傳感信號的提取的問題。

附圖說明

圖1為本發明的系統結構原理圖；

圖2為本發明的FPGA模塊的結構原理圖。

附：圖中各部件的標記如下：1、ADC模數轉換模塊，2、FPGA模塊，3、SDRAM存儲模塊，4、USB通信模塊，5、第一多路選擇器，6、第二多路選擇器，7、第一緩存器，8、第二緩存器，9、多位累加器，10、移位寄存器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。

請參閱圖1-2，本發明實施例包括：一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統，主要包括ADC模數轉換模塊(1)、FPGA模塊(2)、SDRAM存儲模塊(3)、USB通信模塊(4)組成；其特徵在於：ADC模數轉換模塊(1)的輸出端與FPGA模塊(2)相互連接，FPGA模塊(2)再分別與SDRAM存儲模塊(3)和USB通信模塊(4)的輸入端相互連接。

進一步，所述ADC模數轉換模塊(1)為AD7705雙路16位型號的ADC模數轉換模塊，用以將分布式光纖傳感的傳感信號經光電轉換、放大濾波後進行數位化，轉變為數位訊號。

進一步，所述FPGA模塊(2)包括第一多路選擇器(5)、第二多路選擇器(6)、第一緩存器(7)、第二緩存器(8)、多位累加器(9)、移位寄存器(10)組成；其特徵在於：第一多路選擇器(5)、多位累加器(9)、移位寄存器(10)和第一緩存器(7)依次串接，第二多路選擇器(6)、第二緩存器(8)和多位累加器(9)再依次串接，共同構成FPGA模塊。所述第一多路選擇器和第二多路選擇器用以選擇SDRAM存儲模塊的讀寫數據；所述的第一緩存器和第二緩存器用以緩存數據；所述的多位累加器用以對採集的數據和存儲器中的數據進行累加；所述的移位寄存器用以對累加後的數據進行平均。FPGA模塊是通過將ADC模數轉換模塊進行信號轉換並進行模擬信號到數位訊號的轉換及轉換速率的控制，進而對數位訊號的採集、緩存、以及進行累加平均算法處理，最後對處理後的數據操作存儲到SDRAM存儲模塊中。

進一步，所述SDRAM存儲模塊(3)包括兩個SDRAM存儲模塊，均為V4220M 64位型號的SDRAM存儲模塊，兩個SDRAM存儲模塊分別FPGA模塊相互連結，以實現對數據的存儲。

進一步，所述USB通信模塊(4)用以系統與上位機之間相互通信。

作為本發明的一種優選方案，一種基於FPGA的SDRAM分布式光纖傳感數據採集、存儲及處理系統，其包括以下工作步驟：

步驟一，所述FPGA模塊控制單元控制ADC模數轉換模塊對光纖傳感的傳感信號進行模數轉換，並把轉換後的數位訊號緩存到第一緩存器當中；

步驟二，與步驟一同時進行，所述系統控制單元控制多路選擇器對所述的SDRAM存儲模塊進行桌球讀數據，並把讀取的數據緩存在第二緩存器當中；

步驟三，與步驟一同時進行，所述系統控制單元控制累加平均模塊同時讀取第一緩存器、第二緩存器當中的數據，並進行累加平均算法運算，在累加平均運算的同時對累加平均運算的次數進行計數；

步驟四，所述系統控制單元控制多路選擇器選擇SDRAM存儲模塊同時往存儲器中寫入步驟三累加平均後的數據；

步驟五，與步驟四同時進行，若步驟三中累加平均計數值大於或等於設計值後同時把累加平均運算後的數據輸出到USB通信模塊；

步驟六，所述FPGA模塊控制單元控制USB通信模塊對數據進行傳輸；

經過所訴步驟一至六完成了分布式光纖傳感系統數據採集、存儲及處理。作為本發明的一種優選方案，所述方法實現了分布式光纖傳感數據採集、存儲和處理。

以上對本發明的具體實施方式，並非把本發明的範圍限制在以上描述的具體實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現。因此，在不脫離本發明精神和範圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明範疇之內。