用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備及其方法
2023-10-23 20:53:32
專利名稱：用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備及其方法
技術領域：
本發明涉及周界安防領域，特別涉及一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備及其方法。
背景技術：
目前，應用於周界報警的安防系統主要包括微波報警系統、主動紅外報警系統、洩露電纜周界報警系統、靜電感應周界報警系統以及攝像機視頻識別系統等。上述傳統的周界報警系統應用在長距離條件下的監控時，存在很多問題。例如微波報警系統或主動紅外報警系統等監控方式只能適用於視距及平坦區域，受地形的高低、曲折、轉彎、折彎等環境因素影響很大，而且它們不適合惡劣氣候，易受自然氣候影響，準確率也較低。同時由於傳感器單元一般是有源的，所以在長距離監測的情況下，難以解決野外供電的問題，傳感器單元的壽命也較短，在長時間連續使用的情況下，設備的維護成本也較高。因此，長距離可定位的周界報警系統作為全新的安防設備，具有明顯的優勢。報警系統分為室外監控光纜和綜合處理設備兩部分。綜合處理設備位於監控室機房內，按功能來劃分，可以由光源、光路輸出模塊、光電轉換電路、模數轉換模塊、數位訊號處理模塊及報警模塊組成。其工作過程為光源在光源驅動電路的控制下，發出的光經光路輸出模塊處理後進入室外監控光纜；室外監控光纜返回的光到達光電轉換電路之後，經模數轉換和數位訊號處理模塊進行處理；之後進行分析並識別出擾動信號，然後再根據對擾動信號的分析結果進行相應的報警操作。現有技術中，採用市面上成熟的採集卡，把經模數轉換和數位訊號處理模塊處理過的數據採集到工業計算機上，利用工業計算機進行處理。這類採集卡功能單一，僅僅完成數據採集功能，沒有預處理功能。另外，工業計算機處理採用軟體處理方法，這種方案的優點是算法移植簡單，開發難度較低，缺點是由於數據量大，算法比較複雜，很難實時實現，存在數據丟失問題。但是，如果數據處理全部用硬體實現，開發難度大，周期長。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，用以實現實時數據採集和預處理功能，達到實時分析的目的。為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，包括同步脈衝發生器、光電模塊、模數轉換器、FPGA、第一 DDR存儲器、第二 DDR存儲器和高性能工業計算機，其特徵在於所述同步脈衝發生器分別連接所述光電模塊和FPGA，所述光電模塊連接所述模數轉換器，所述模數轉換器連接所述FPGA，所述FPGA分別連接所述第一 DDR存儲器、第二 DDR存儲器和高性能工業計算機。所述同步脈衝發生器，用以產生具有一定重複頻率的一定脈寬的同步脈衝信號，用來同步光電模塊和FPGA (即數據採集控制器)，從而使得系統採集到光電模塊產生的有效信號。所述重複頻率可以設置。
所述光電模塊，用以產生雷射發射和雷射幹涉接收。當所述同步脈衝發生器產生脈衝時，光電模塊發射雷射，同時接收雷射幹涉光，並將其轉換成電信號輸出到模數轉換器的輸入端；當所述同步脈衝發生器的脈衝結束時，光電模塊停止發射雷射，幹涉光則延時一段時間後結束，延時時間與系統探測距離有關。
所述模數轉換器，其功能是完成模擬電信號到數字電信號的轉換。
所述FPGA，其功能是完成數據採集、數據緩存、數據預處理、數據輸出等功能。
所述第一 DDR存儲器和第二 DDR存儲器，其功能是緩存數據。
所述高性能工業計算機，其功能是用於數據處理和分析。
進一步地，FPGA內部設計為由數據採集控制單元、第一存儲器控制單元、第二存儲器控制單元、第一 FFT處理單元、第二 FFT處理單元、預處理數據控制單元、FIFO存儲器和 PCIE接口控制器組成，所述的數據採集控制單元分別連接同步脈衝發生器、模數轉換器、第一存儲器控制單元、第二存儲器控制單元和預處理數據控制單元，所述第一存儲控制器單元連接所述第一 DDR存儲器，所述第二存儲控制器單元連接所述第二 DDR存儲器，所述預處理數據控制單元分別連接第一 FFT處理單元、第二 FFT處理單元和FIFO存儲器，所述FIFO 存儲器連接PCIE接口控制器，所述PCIE接口控制器連接高性能工業計算機。
所述數據採集控制單元，其功能是用來控制數據採集流程，切換數據緩存通道、控制數據數據輸出通道切換。
所述第一存儲器控制單元，其功能是用來對第一 DDR存儲器讀寫控制以及對所述第一 FFT處理單元數據輸入控制。
所述第二存儲器控制單元，其功能是用來對第二 DDR存儲器讀寫控制以及對所述第二 FFT處理單元數據輸入控制。
所述第一 FFT處理單元和第二 FFT處理單元，其功能是對輸入數據序列進行FFT 變換。
所述預處理數據控制單元，其功能是控制第一 FFT處理單元和第二 FFT處理單元數據輸出流程，使得兩個單元的數據能夠順暢的輸出而不產生衝突。
所述FIFO存儲器，其功能是用來緩存第一 FFT處理單元和第二 FFT處理單元輸出的數據，實現數據先進先出的作用。
所述PCIE接口控制器，其功能是實現PCIE總線接口控制。
本發明一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，通過如下步驟實現實時數據的採集和預處理，達到實時分析的目的第一步，同步脈衝發生器產生具有一定脈衝寬度和重複頻率的同步信號；第二步，當同步信號產生時，光電模塊發射脈衝雷射，同時接收到有效的雷射幹涉信號並將其轉換成有效的電壓信號；第三步，模數轉換器把電壓信號轉換成數位訊號；第四步，FPGA採集模數轉換器輸出的數位訊號，並完成緩存(即數據存入第一 DDR存儲器或第二 DDR存儲器)、數據重排列、FFT變換、最後經PCIE總線輸出；第五步，高性能工業計算機接收FPGA經PCIE總線發來的數據，進行後續算法處理和數據分析。
由於本系統數據量大，數據採樣率高，為了達到實時信號採集和處理的目的，在上述第四步採用桌球數據緩存和預處理的方式，其原理為假定系統採集M條長度為N的曲線數據，組成一個MXN的二維數組，即MXN的矩陣；例如，當系統探測長度為50km時，取 MXN=512x50000 ;然後對採集到的MXN 二維數組進行矩陣轉置，得到MXN的數組；對轉換好的這個二維數組的每一行進行FFT變換，然後進行分析；這樣就可以對系統探測距離範圍內的每一個位置進行分析。由於系統需要實時採集數據和處理，因此採用桌球數據採集和處理方式；但矩陣轉置和FFT比較耗時，對於計算機這種多任務系統來說，處理能力十分有限；另一方面，矩陣轉置和FFT適合流水線處理方式，而FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，因此這部分數據處理採用FPGA來處理比較合適。具體實現過程如下第41步，(I)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000)，並通過第一存儲器控制單元把數據存入第一 DDR存儲器；(2)對同步脈衝信號產生的次數K進行計數；(3)當同步脈衝信號產生次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第一DDR 存儲器已經存儲了一個二維數組，包含MXN個數據；這時，對同步脈衝信號產生次數K清零，轉入第42步；第42步，並行執行以下功能(1)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000)，並通過第二存儲器控制單元把數據存入第二 DDR存儲器；(2)第一存儲器控制單元從第一DDR存儲器中存儲的二維數組按列的順序取數據，每列數據長度為M，共N列；把這些按列取出的數據按順序送入第一 FFT處理單元；(3)第一FFT處理單元開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元;(4)預處理數據控制單元把第一FFT處理單元輸出的數據寫入FIFO存儲器；(5)當探測到FIFO存儲器有數據時，PCIE接口控制器讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機；(6)對同步脈衝信號產生的次數K進行計數；(7)當同步脈衝信號產生的次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第二 DDR 存儲器已經存儲了一個二維數組，包含MX N個數據；由於FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第一 DDR存儲器中存儲的二維數組已經全部被讀取並完成FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機；此時，對同步脈衝信號產生的次數清零；轉入第 43步；第43步，並行執行以下功能(I)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000)，並通過第一存儲器控制單元把數據存入第一 DDR存儲器；(2)第二存儲器控制單元從第二DDR存儲器中存儲的二維數組按列的順序取數據，每列數據長度為M，共N列；把這些按列取出的數據按順序送入第二 FFT處理單元；(3)第二FFT處理單元開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元;(4)預處理數據控制單元把第二FFT處理單元輸出的數據寫入FIFO存儲器；(5)當探測到FIFO存儲器有數據時，PCIE接口控制器讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機；
(6)對同步脈衝信號產生的次數k進行計數；
(7)當同步脈衝信號產生的次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第一 DDR存儲器已經存儲了一個二維數組，包含MX N個數據；由於FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第二 DDR存儲器中存儲的二維數組已經全部被讀取並完成FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機；此時，對同步脈衝信號產生的次數清零；轉入第42步；
第44步，重複上述第42步和第43步，直到系統停止數據採集。本發明的有益效果在於利用FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術特點，採用桌球機制對光纖振動測量系統進行數據採集和預處理，有效地解決了系統實時性問題。
圖I為本發明結構示意圖。
具體實施例方式如附圖I所示，一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，包括同步脈衝發生器I、光電模塊2、模數轉換器3、FPGA4、第一 DDR存儲器5、第二 DDR存儲器6和高性能工業計算機7，所述同步脈衝發生器I分別連接所述光電模塊2和FPGA4，所述光電模塊2連接所述模數轉換器3，所述模數轉換器3連接所述FPGA4，所述FPGA4分別連接所述第一 DDR存儲器5、第二 DDR存儲器6和高性能工業計算機7。進一步地，FPGA4內部設計為由數據採集控制單元41、第一存儲器控制單元42、第二存儲器控制單元43、第一 FFT處理單元44、第二 FFT處理單元45、預處理數據控制單元46、FIFO存儲器47和PCIE接口控制器48組成，所述的數據採集控制單元41分別連接同步脈衝發生器I、模數轉換器3、第一存儲器控制單元42、第二存儲器控制單元43和預處理數據控制單元46，所述第一存儲控制器單元42連接所述第一 DDR存儲器5，所述第二存儲控制器單元43連接所述第二 DDR存儲器6，所述預處理數據控制單元46分別連接第一 FFT處理單元44、第二 FFT處理單元45和FIFO存儲器47，所述FIFO存儲器47連接PCIE接口控制器48，所述PCIE接口控制器48連接高性能工業計算機7。—種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備的實現方法，其具體實施步驟如下
第一步，同步脈衝發生器I產生具有一定脈衝寬度和重複頻率的同步信號；
第二步，當同步信號產生時，光電模塊2發射脈衝雷射，同時接收到有效的雷射幹涉信號並通過模數轉換器3轉換成有效的電壓信號；
第三步，模數轉換器3把電壓信號轉換成數位訊號；
第四步，FPGA 4採集模數轉換器3輸出的數位訊號，並完成緩存、數據重排列、FFT變換、最後經PCIE總線輸出；
第五步，高性能工業計算機7接收FPGA 4經PCIE總線發來的數據，進行後續算法處理和數據分析。
上述第四步採用了桌球數據緩存和預處理方式，其原理如下假定系統採集M條長度為N的曲線數據，組成一個MXN的二維數組，即MXN的矩陣； 例如，系統探測長度為50km時，取MXN=512X50000 ;然後對採集到MXN 二維數組進行矩陣轉置，得到NXM的數組；最後對轉換好的這個二維數組的每一行進行FFT變換，然後進行分析；這樣就可以對系統探測距離範圍內的每一個位置進行分析。具體實現過程如下第41步，(I)當FPGA 4接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元41開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000),並通過第一存儲器控制單元42把數據存入第一 DDR 存儲器5 ；(2)對同步脈衝信號產生的次數K進行計數；(3)當同步脈衝信號產生次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第一DDR 存儲器5已經存儲了一個二維數組，包含MXN個數據；這時，對同步脈衝信號產生次數K清零，轉入第42步；第42步，並行執行以下功能(1)當FPGA4接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元41開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000),並通過第二存儲器控制單元43把數據存入第二 DDR存儲器6 ；(2)第一存儲器控制單元42從第一DDR存儲器5中存儲的二維數組按列的順序取數據，每列數據長度為M，共N列；把這些按列取出的數據按順序送入第一 FFT處理單元44 ；(3)第一FFT處理單元44開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元46 ；(4)預處理數據控制單元46把第一FFT處理單元44輸出的數據寫入FIFO存儲器47 ；(5)當探測到FIFO存儲器47有數據時，PCIE接口控制器48讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機；(6)對同步脈衝信號產生的次數K進行計數；(7)當同步脈衝信號產生的次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第二 DDR 存儲器6已經存儲了一個二維數組，包含MXN個數據；由於FPGA 4具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第一 DDR存儲器5中存儲的二維數組已經全部被讀取並完成 FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機7 ;此時，對同步脈衝信號產生的次數清零； 轉入第43步；第43步，並行執行以下功能(1)當FPGA4接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元41開始採集一組數據(數據長度為N，例如N=50，000),並通過第一存儲器控制單元42把數據存入第一 DDR存儲器5 ；(2)第二存儲器控制單元43從第二DDR存儲器6中存儲的二維數組按列的順序取數據，每列數據長度為M，共N列；把這些按列取出的數據按順序送入第二 FFT處理單元45 ；(3)第二FFT處理單元45開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元46 ；(4)預處理數據控制單元46把第二FFT處理單元45輸出的數據寫入FIFO存儲器47 ；(5)當探測到FIFO存儲器47有數據時，PCIE接口控制器48讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機；(6)對同步脈衝信號產生的次數k進行計數；
(7)當同步脈衝信號產生的次數K達到系統設定的閾值M(如M=512)時，此時，第一 DDR存儲器5已經存儲了一個二維數組，包含MXN個數據；由於FPGA 4具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第二 DDR存儲器6中存儲的二維數組已經全部被讀取並完成FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機7 ;此時，對同步脈衝信號產生的次數清零；轉入第42步；
第44步，重複上述第42步和第43步，直到系統停止數據採集；
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可對本發明作各種變形，均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，包括同步脈衝發生器、光電模塊、模數轉換器、FPGA、第一 DDR存儲器、第二 DDR存儲器和高性能工業計算機，其特徵在於所述同步脈衝發生器分別連接所述光電模塊和FPGA，所述光電模塊連接所述模數轉換器，所述模數轉換器連接所述FPGA，所述FPGA分別連接所述第一 DDR存儲器、第二DDR存儲器和高性能工業計算機。
2.根據權利要求I所述的用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備，其特徵在於所述FPGA內部設計為由數據採集控制單元、第一存儲器控制單元、第二存儲器控制單元、第一 FFT處理單元、第二 FFT處理單元、預處理數據控制單元、FIFO存儲器和PCIE接口控制器組成，所述的數據採集控制單元分別連接同步脈衝發生器、模數轉換器、第一存儲器控制單元、第二存儲器控制單元和預處理數據控制單元，所述第一存儲控制器單元連接所述第一 DDR存儲器，所述第二存儲控制器單元連接所述第二 DDR存儲器，所述預處理數據控制單元分別連接第一 FFT處理單元、第二 FFT處理單元和FIFO存儲器，所述FIFO存儲器連接PCIE接口控制器，所述PCIE接口控制器連接高性能工業計算機。
3.一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備的實現方法，包括下述步驟 第一步，同步脈衝發生器產生具有一定脈衝寬度和重複頻率的同步信號； 第二步，當同步信號產生時，光電模塊發射脈衝雷射，同時接收到有效的雷射幹涉信號並將其轉換成有效的電壓信號； 第三步，模數轉換器把電壓信號轉換成數位訊號； 第四步，FPGA採集模數轉換器輸出的數位訊號，並完成緩存(即數據存入第一 DDR存儲器或第二 DDR存儲器)、數據重排列、FFT變換、最後經PCIE總線輸出； 第五步，高性能工業計算機接收FPGA經PCIE總線發來的數據，進行後續算法處理和數據分析。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述第四步採用桌球數據緩存和預處理的方式。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於所述桌球數據緩存和預處理的方式實現步驟包括 第41步 (1)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據，並通過第一存儲器控制單元把數據存入第一 DDR存儲器； (2)對同步脈衝信號產生的次數進行計數； (3)當同步脈衝信號產生次數達到系統設定的閾值時，此時，第一DDR存儲器已經存儲了一個二維數組，這時，對同步脈衝信號產生次數清零，轉入第42步； 第42步並行執行下列功能 (1)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據，並通過第二存儲器控制單元把數據存入第二 DDR存儲器； (2)第一存儲器控制單元從第一DDR存儲器中存儲的二維數組按列的順序取數據，把這些按列取出的數據按順序送入第一 FFT處理單元； (3)第一FFT處理單元開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元; (4)預處理數據控制單元把第一FFT處理單元輸出的數據寫入FIFO存儲器； (5)當探測到FIFO存儲器有數據時，PCIE接口控制器讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機； (6)對同步脈衝信號產生的次數進行計數； (7)當同步脈衝信號產生的次數達到系統設定的閾值時，此時，第二DDR存儲器已經存儲了一個二維數組；由於FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第一 DDR存儲器中存儲的二維數組已經全部被讀取並完成FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機；此時，對同步脈衝信號產生的次數清零；轉入第43步； 第43步並行執行下列功能 (1)當FPGA接收到同步脈衝信號時，數據採集控制單元開始採集一組數據，並通過第一存儲器控制單元把數據存入第一 DDR存儲器； (2)第二存儲器控制單元從第二DDR存儲器中存儲的二維數組按列的順序取數據，把這些按列取出的數據按順序送入第二 FFT處理單元； (3)第二FFT處理單元開始對每列數據進行FFT變換，其結果進入預處理數據控制單元; (4)預處理數據控制單元把第二FFT處理單元輸出的數據寫入FIFO存儲器； (5)當探測到FIFO存儲器有數據時，PCIE接口控制器讀取數據並通過PCIE總線上傳到高性能工業計算機； (6)對同步脈衝信號產生的次數進行計數； (7)當同步脈衝信號產生的次數達到系統設定的閾值時，此時，第一DDR存儲器已經存儲了一個二維數組；由於FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術，此時第二 DDR存儲器中存儲 二維數組已經全部被讀取並完成FFT變換、其結果已被上傳到高性能工業計算機；此時，對同步脈衝信號產生的次數清零；轉入第42步； 第44步重複上述第42步和第43步，直到系統停止數據採集。
全文摘要
本發明公開了一種用於光纖振動測量系統的實時數據採集與信號預處理設備及其方法，所述設備包括同步脈衝發生器、光電模塊、模數轉換器、FPGA、第一DDR存儲器、第二DDR存儲器和高性能工業計算機，其特徵在於所述同步脈衝發生器分別連接所述光電模塊和FPGA，所述光電模塊連接所述模數轉換器，所述模數轉換器連接所述FPGA，所述FPGA分別連接所述第一DDR存儲器、第二DDR存儲器和高性能工業計算機。其優點在於利用FPGA具有高效的並行處理能力和高效流水線技術特點，採用桌球機制對光纖振動測量系統進行數據採集和預處理，有效地解決了系統實時性問題。
文檔編號G01H9/00GK102980648SQ20121051698
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者黃正 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司