（计算机系统结构专业论文）分布式光纤测温系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在2 0 世纪后半叶至今的 几十年里r 新月异，极大地推动了人类社会的进步。 与其他传感器相比，光纤作为一种新型的传感器件有其独特的优势。它抗电磁，耐 高温，对温度、应变等外界变化敏感，而且价格便宜，容易获取，可以形成分布式的线 测量甚至是场巍9 量。因此光纤传感在最近几年的到快速发展将应用于更广的范围。 分布式光纤测温系统的信号采集、数据处理，以及后台软件的编写占系统成本的绝 大部分。它的检测精度和速度决定了整个系统的测量精度，空问分辨率，采集速度以及 最后的请求响应时间。如何提高系统各个部分的处理速度，协调好数据传输，成为分布 式光纤铡温系统的关键。 论文提出了一种基于嵌入式的利用光纤拉曼散射原理的分布式测温解调方案。由于 传感距离长，使得系统可以进行场式的温度测量，可以全面的获得空间式的3 维温度模 型，满足大型工程传感网络的实时监测。 论文详细介绍了嵌入式光纤传感分布测温系统的光路设计，硬件电路设计和软件设 计。光路设计包括：在嵌入式主机的控制下利用激光源和脉冲调整器形成固定周期的脉 冲光，作为光纤传感器的激励信号；使用3 d b 耦合器对激励光进行分束，传入光纤传感 器，散射拉曼光回传经过耦合器进入分光系统，只有固定频率的s t o k e s 光和a n t i s t o k e s 光透过分光系统；两束光分别进入光电探测器( p d ) ，完成光电转换过程。系统中各个模 块间的同步由硬件电路控制，主控芯片为t i 公司的双核微处理器。0 m a p 5 9 1 2 对f p g a 模块发出采集控制信号，f p g 巩负责控制与脉冲调制器间的同步，计时，同时触发a d 采集。采集结束，f p g a 发出中断，通知采集过程结束。o m a p 5 9 1 2 发出传输数据指令， 将外接r a m 中的数据读入d s p 进行数据处理。在d s p 中对数据进行小波变换多分辨 分析对采样的数字量进行降噪处理，消除传输和测量过程中的各种噪音和随机干扰。 论文还阐述了在双核微处理器o m a p 5 9 1 2 下的软件开发，包括在a r m 下的g p p 的开发，在d s p 下数据处理算法的编写以及双方的通讯控制。最后论文对系统测试结 果进行分析，通过系统测得的数据和谱图分析误差类型和来源，并提出系统改良的方法。 关键词：拉曼散射；分布式光纤测温；双核徼处理器0 砌t p 5 9 1 2 ；f p g a ；数据处理 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t e df i b e rt e m p e r a m r e m e a s u r e d s y s t e m a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e n s i n gt e c h n o l o g yr e p r e s e n t e da sf i b e rc o m m u n i c a t i o n a n df i b e rs e n s i n ga r es t r o n g l yd e v e l o p e di nt h i ss e v e r a ld e c a d e s , w h i c hi m m e n s e l ya c c e l e r a t e s t h ep r o g r e s so f h u m a ns o c i e t y c o m p a r e dw i t ho t h e rs 甜l $ o r , f i b e ri sn 洲$ f f l l s o rw i t hi t si n d i v i d u a la d v a n t a g e i tr e s i s t s e l e c t r o m a g n e t i s m ，a d a p t sh i g ht e m p e r a t u r e ，a n di ss e n s i t i v et ot e m p e r a t u r ea n de m e r g e n c y i t i sv e r yc h e a pa n de a s yt op r o d u c t i t 锄r e a l i z er e a l 玎攒s u e n ti nl i n e , e v e n 遮f i e l d s o f i b e rs e n s i n gi sd “e l o p e dv e r yf a s ti nr e c e n ty e a r s ，a n du s e di nm o r ew i d er a n g e 1 1 1 cm o s te c e s to fd i s t r i b u t ef i b e rt e m p e r a t u r e - m e a s u r e ds y s t e ma l es i g n a le n l l e c t i n g , d a t a p r o c e s s i n ga n db a c k g r o u n ds o f l w a r op r o g r a m m i n g t h e yd e c i d et h ec o l l e c t i n g p r e c i s i o n , c o l l e c t i n gs p e e da n df i n a lr e s p o n s et i m e ，h o wt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gs p e e da n dh o w t o c o o r d i n a t ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t sa r em o s ti m p o r t a n ti nt h i ss y s t e m n p a p e rb r i n g su pan e wp r o p o s a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mw h i c hu s 髓r a m a n s c a t t e r i n gt od e m o d u l a t et e m p e r a t e b e c a u s eo f t h el o n gd i s t a n c eo f f i b e rs e n s o r ，t h es y s t e m c a 1 眦f i e l dm e a s u r e m e n t ，w h c hc o u l dg e ts t e r _ i c a lt e m p e r a t u r ei n f ( r m a t i o ni n3 - dm o d e l t l l i se x a c t l ym c e t st h er e q u e s tt or e a l t 蛔em e a s u r e m e n to f s e n s i n gn e ti nl a r g ep r o j e c t 1 1 1 ep a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e sl i g h tp a t hd e s i g n , h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds o f l x v a r e d e s i g ni ne m b e d d e df i b e rs e n s i n gd i s t r i b u t e dt e m p e r a t o r e - m e e s u r e ds y s t e m t h es y n c h r o n o u s o fd i f f e r e n tm o d u l e si ns y s t e mj sc o n t r o l l e db yh a r d w a r ec i r c u i t 髓em a i nc o r i 台 o lc h i pi s d u a l - k 由 n e lm i e r o l 田o c e s s o ro m a p 5 9 1 2m a l l l l f a c t u r e db yt ic o m p a n y o m a p 5 9 1 2s e n d sa c o l l e c t i n gs i g n a lt of p g a ，a n df p g ac o n t r o lt h es y n c h r o n o u sb e t w e e nc o l l e c t i n gp a r ta n d p u l s em o d u l a t o r , c o u n t i n ga n dt r i g g e ra dc o l l e c t o n c ec o l l e c te n d s f p g as e n d sai n t e r r u p t t oo m a p 5 9 1 2 t h e no m a p 5 9 1 2f u l li n s t r u c t i o nt o 拄a u s l x ) r td a t af r o mr a mo u t s d e w a v d e tm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i si sd o n ei nd s p ，w h i c hc a nr e d u c en o i s e se f f e c t i v e l y a i s ot h ep a d e re x p o u n ds o r w a r ed e v e l o p m e n tu n d e rd u a l - k e r n e lm i c r o p r o c e s s o r o m a p 5 9 1 2 i n c l u d i n gg p po na r m ，a r i t h m e t i cc o m p i l eo nd s p ，a n dc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h e m f i n a l l y t h ep a p e ra n a l y z e st 鼯tr e s u l ta n db r i n gu pa ni m p r o v e dm c t h o d k e yw o r d s ：r m n a ns c a t t e r i n g ；d i s t r i b u t e d f i b e r m i c r o p r o c e s s o ro m a p 5 9 1 2 ；f p g a ；d a t ap r o c e s s i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：缝塞生日期：丝：2 ：! ：! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：经奎竺 导师始骂暇耄 别磴钰 乡缎扯 基二盟年鱼月生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 应用背景及国内外研究现状 随着网络技术、嵌入式技术和计算机技术的不断发展，如何将各种先进技术应用在 工程监测领域，使得系统功能更强大、性能更稳定，是未来的发展方向。特别是与光纤 测温相结合，在这种数据量大的应用场合中，采用嵌入式微处理作为采集节点的核心部 分更是显示出无法比拟的优势。 作为一种先进的采集仪器，该系统广泛的应用在隧道、地铁、公路的火灾监测和报 警，石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测，油库、油管、油罐的温度监测及故障点的 检测，电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位，电缆隧道、夹层的火情监测，发电 厂和变电站的加的温度监测、故障点的检测和火灾报警，大坝、河堤的渗漏，大坝、河 堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度等方面。 流经沈阳东陵地下输油管道因超期服役发生泄露，平项山石油泄露引发火灾事故， 云南景洪水电站坝堤出现渗水，这些事故不断发生，给国家带来非常大的经济损失，人 员伤害及环境污染。如果采用分布式的测温系统，就可以准确的定位事故发生位置，并 及时的发出事故预警，减小事故带来的损失。 图1 1 分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测 f i g 1 1u s e o n p i p e l e a k 分布式光纤测温系统的设计与实现 分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测如图1 1 所示。在管道的周围埋入两条光纤 传感器，一条作为参考传感器，一条作为实测传感器。使用分布式的光纤测温系统，测 出环境温度，并对比管道温度，发生泄露的位置会发生温度上的变化，从而找出泄露点 的位置。同时，如果温度超过限定的闽值，就会发生报警，说明此次泄露事故重大，需 要紧急抢修。 图1 2 施j j ：现场 f i g 1 2f a b r i c a t i n gy a r d 图1 2 为光纤传感器的铺设现场，在管道铺设的同时埋入光纤传感器。 本系统将采用目前国内外比较先进的t i 公司的o m a p 5 9 1 2 舭t m + d s p 双内核微处理 器作为采集点的核心部分，利用d s p 核作为数据的采集与处理，a r m 核则用来进行控制 和人机界面交互等操作。同时分析国内外水电监测领域目前绝大部分采用的都是单节点 的采集方式，该应用引入网络部分，网络部分可根据现场的采用有线网络和无线网络两 种形式。有线网络采用以太网的形式，接入公共网，而无线网络采用c d m a 方式接入公 共网，使得操作者可以在网络所及的任意地方进行对被监测体的实时监测，同时采用c s 通讯模式，提供了较高的安全机制，非本系统的人员无法对其进行干预或破坏。 大连理工大学硕士学位论文 对于监测现场环经恶劣，不宜搭建网络，无线方式更是体现了其优势。这个系统同 时将光纤测温传感技术、嵌入式技术、网络技术、数据库技术等先进技术应用在水电监 测领域具有一定的先进性及创新性。 对于光纤测温传感器的研究，目前，国外( 主要是英国、日本等国) 已利用激光光谱 效应研制出分布式光纤温度传感器产品，而国内也在积极地开展这方面的研究工作，但 研究产品的精度不高，没法进行工程应用。 作为光纤测温系统，目前国内外也有一些。不过成本过高，特别是网络型的光纤测 温系统在国内尚无成形产品。当前国内的分布式测温系统，总体上的特点是测量距离短， 精度不够高，测量时间过长，而且是单节点产品，无法形成分布式的，可进行自动控制 的大型测量系统。 本系统采用国外的先进的光纤铡温传感器作为前端的信号产生装置，在光纤测温系 统中，空间分辨率是一个重要参数，它取决于a d c 的采样速率。激光脉冲在传感光纤中 的传输速率约为2 x1 0 8 m s ，要实现o 5 2 m 的空间分辨率，a d c 采样速率要达到 1 0 0 m s p s 。另外，由于光纤测湿中a d c 采样的肘钟对应着光纤上的空间距离，采样时钟 频率或相位上的偏移即意味着光纤上测量点位置的偏移。因此，为保证高的空间分辨率 和高的空间定位准确度，如何设计系统的采样电路通过a d c 同步对a n t i s t o k e s 和s t o k e s 信号进行实时采样，依靠a d c 自身的高速模数转换性能和同一的响应特性确保空间分辨 率稳定可靠及空间定位准度，是一个主要的研究内容也是难点。 1 2 本文内容和结构 本课题的研究来源于实际的工程项目，是为大连基康公司研制开发的面向路桥、土 木、水利、建筑等工程领域的基于嵌入式的光纤分布测温系统为国家水电设计局基金 项目。系统通过o m a p 的d s p 核强大的处理能力对数据信号进行滤波，系统具备串口输 出、网络化和长时间大容量存储功能，系统可以根据不同应用进行空间分辨率、输出方 式和存储方式的定制，系统还提供了人机界面显示控制器和p c 端应用程序。系统的研制 开发包括硬件设计、软件开发和安装运行。 本文的结构如下： 第一章是绪论，介绍了光纤测温的应用背景和发展现状。 第二章介绍了系统总体设计，包括系统的应用模型的设计和应用，数据处理核心的 结构框图。 第三章介绍了系统的硬件设计。详细介绍了前向传感器的电路设计，外围f p g a 控 制a d 采集部分电路、系统核心电路、人机界面专用键盘显示器扳趵设计。 分布式光纤测温系统的设计与实现 第四章详细介绍了嵌入式系统的定制和实现，a i ) 采集控制程序，o m a p 嵌入式系统 应用程序开发以及底层驱动程序的开发。 第五章对系统的各项参数进行总结和测试，指出系统的不足和需要改进之处。 最后总结了论文中讨论的内容并对嵌入式的光纤分布测温系统在工程领域的应用前 景作了展望。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案的设计 本章介绍了系统总体方案的设计，包括了系统的应用模型框图和系统数据处理和传 输处理核心的硬件连接设计图。 2 1 系统应用模型 整个系统的应用模型图如图2 1 所示。在以太网中存在一台服务器，它的功能是存储 多台测量节点的信息和它们的历史测量数据，同时它也提供超大数据量的科学计算，比 如建模。在多用户的客户端提供两个基本功能：向服务器请求某台测量节点的历史数据， 向某台测量节点请求实时采集数据。测量节点除了本身测量温度信息外，还需要在用户 请求完实时数据采集完成后，同步本地数据库跟服务器上的数据库，使它们数据库保持 一致。 请求历 图2 1 系统应用模型图 f i g 2 1s y s t e ma p p l i c a t i o n m o d e l 图2 ，2 中介绍了此系统在实际工程中的应用。此应用中，石油管道的距离为2 5 0 k i n 左右，所以需要多个测量节点共同测量监测。每次测量过后，都自动将温度，空间地理 位置，时间，节点号传输至服务器，由服务器建立石油管道的空间温度模型。用户可以 通过服务器获得石油管道的总体温度信息，也可以在一定访问权限下，直接对测量节点 迸行实时的温度采集。 一5 一 分布式光纤测温系统的设计与实现 图2 2 系统实际应用 f i s 2 2 p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f s y s t e m 2 2 数据处理核心设计 处理核心的硬件框图如图2 3 所示。经过放大滤波的两路模拟信号连接到a d 采集芯 片a d 9 2 8 8 的模拟信号采集端。f p g a 芯片s p a r 协i i2 s 1 0 0 - p q 2 0 8 5 负责a d 采集芯片的 启动和停止，并记录采集时钟计数，同步光脉冲调剂器，将大数据量的a d 数据传输到 r a m 芯片。当采集完成，f p g a 会产生信号，通知o m a p 5 9 1 2 采集完成。该信号连接在 o m a p 5 9 1 2d s p 核的中断源端口。o m a p 5 9 1 2 接收到中断请求，将总线控制权转给d m a 模块，由d m a 模块从外部r a m 读入数据，传递给d s p 进行处理。d s p 处理完成后， 将数据存入a r m 上的定制数据库。a r m 部分负责数据库的维护，用户界面的更新，以 及其他通信和显示的支持。 在此系统中，充分发挥了各个处理模块的优势。f p g a 可以进行灵活的外围器件和芯 片的控制，提供一定的高速数据处理，并且因为独立于系统核心而易于修改和升级。a r m 可以提供丰富的用户接口，比如存储设备，网络接口，显示设备，用户输入设备等。同 时由于提供标准的编程接口，可以提高此部分的开发速度。d s p 则可以进行高速的数据 处理。利用函数库提供的高效的处理算法，对原始数据进行滤波，提取有用的数据信息。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 核心连接图 f i g ，2 3 k e r n e lc o n n e c t i o n 分布式光纤测温系统的设计与实现 3 系统硬件的设计和实现 3 1 前向传感器电路设计 3 1 1 拉曼散射测温原理 光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。光线通 过均匀的透明介质时( 如玻璃、石英) ，从侧面是难以看到光束的。如果介质不均匀，或 含有悬浮的颗粒，便可以从侧面看到光束的轨迹。这是由于介质的不均匀性造成部分光 线朝四周反射的结果f l - 3 。从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受 迫振动，从而发散出相干次波。只要分子密度是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩下 遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若介质是不均匀 的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射【4 】。 光的散射根据形成原因不同可以分为瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射等，如图3 1 所示。 0 图3 1 光散射示意图 f i g 3 1l i g h ts c a t t c r i n gs 】【酏c h 拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n 亩，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起 的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1 9 2 3 年a g s 斯梅卡尔从理论上预言了频率发生 改变的散射5 1 。1 9 2 8 年，印度物理学家c v 拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改 变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线( 频率为v o ) 两侧对称 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 地伴有频率为v 0 ：t ：v i ( i = l ，2 ，3 ) 的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一 侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差v i 与入射光频率v 0 无关，由散射物质的性质决 定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。 该光纤测温传感器的工作机理是依据后向喇曼散射温度效应：当激光脉冲在光纤中 传播的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，如瑞利( r a y l e i g h ) 散射、布里 渊( b r i l l o u i n ) 散射和喇曼( r a m a n ) 散射等，其中喇曼散射是由于光纤分子的热振动和光子 相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将 发出一个比光源波长长的光，称为s t o k e s 光，如果一部分热振动转换成为光能，那么将 发出一个比光源波长短的光，称为a n t i s t o k e s 光。喇曼散射光就是由这两种不同波长的 光组成的，其波长的偏移由光纤组成元素的固定属性决定，因此喇曼散射光的强度与温 度有关，其关系公式3 1 和公式3 2 所示。 s t o k e s 光 ，。：；：j i i j i i i ：j ：j j i ；i j ? 丽+ 1 】。丑，一4 ( 3 1 a n t i - s t o k e s 光 ，一茁：i ：；i i j i i 。：i i j ：；i j 而+ 1 】丑一一4 ( 3 2 ) 式中乃，无分别s t o k e s 和a n t i s t o k e s 光波长；h 为普朗克常数；c 为真空中的 光速；k 为玻尔兹曼常数；y 为偏移波数；r 为绝对温度 6 1 。 为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度， 在系统设计中，采用双通道双波长比较的方法，郎对a n t i s t o k e s 光和s t o k e s 光分别进行 采集，利用两者强度的比值解调温度信号 7 1 。f l j q ：a n t i s t o k e s 光对温度更为灵敏，因此 将a n t i - s t o k e s 光作为信号通道，s t o k e s 光作为比较通道，则两者之间的强度比如公式3 3 所示。 月( d = 争= ( 争) 4 懿p ( 一h c - a g k d ( 3 3 ) ， 九 变换后可得公式3 4 。即 手一忐【l m 口) + 4 i n ( 争) 】 ( 3 4 ) 对于固定的温度( 恒温槽标定温度) 有公式3 5 。 i l 一击( 1 n 觚) + 4 l n ( 争】 ( 3 5 ) 一9 一 分布式光纤测温系统的设计与实现 由两式计算可得公式3 6 。 寺2 专一击【l n r 仃) - l n r 峨) 】 ( 3 石) 可见，在测温系统标定之后，通过测定r ( 乃就可以确定沿光纤测量点的温度值【8 】。 3 1 2 系统的光路设计 图3 1 为系统的光路设计图。激光器发出的激光才光脉冲调制器的调制作用下，形成 一定周期和持续时间的短脉冲光。脉冲光通过光耦合器连接到恒温槽和传感光纤上。在 光脉冲的传输过程中，不同距离点的散射光信号会有部分沿着传输光路返回至光耦合器。 3 d b 的光耦合器会将约5 0 的拉曼散射光耦合至光处理系统。拉曼散射光包含了两个频率 不同的光s t o k e s 光和a n t i - s t o k e s 光。它们的频率分布在入射光频率的两侧。通过分 光器，将两个不同频率的光分开，进入不同的光路进行处理。由于散射光中还夹杂着其 它散射光和干扰光，所以需要对两路光进行一定的带通滤波处理，得到近乎纯净的拉曼 散射光。拉曼散射光进而通过a p d ( a v a l a n c h ep h o t o d i o d e ，雪崩光电二极管) 进行光电转 换和放大，得到一定范围的有效电压值。最后，在处理核心的控制下，对两路电压进行 采集和滤波处理。经过计算得到实际的温度值【9 ，1 0 1 。 图3 1 系统光路连接图 f i g 3 1s y s t e ml i g h tp a t hc o n n e c t i o n 大连理工大学硕士学位论文 3 2a d 采集部分电路设计 f p g a 板上主要包含2 个部分电路：光电转换部分，f p g a 扩展部分。光电转换部分 的主要器件为a p d 和运算放大器a d 7 0 8 。其电路原理图如图3 2 所示。 型j 瑙划羔一 二曼j 划刭越 书一 - 羽+ 一擎二一_ 工抖 十 斗 爵苹萄# 黼 = = l ：= | # 薛畦葺懈= = 十卜计* | = _ 矗f _ 斗一 = 翻醉 l ! lll ： f j ji _ 1 齑麓莲赳慈接毒黪 盔茹 。； 1 i 一拓一j l 。一 4 卜 “h 卡j 隧 。毒一 一，k 荔￥一矗；菡七 丰斗 一；l _ 鲁0 0 ；* 一o * 七4 l 卜量二二j 二当曼遗 ； ； l ；z ；t l ： ；l2 ： j l 1 r r r “一1 +葺_ ；| 鬻霸丰爵障：一；霉 ：萍肆翻- l 一薯 _ 1 1 高善# 辑 图3 2 光电转换电路图 f i g 3 2 p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nc i r c u i td i a g r a m a p d 采用的是成都莱特瑞科公司的产品2 5 g b s 的雪崩光电探测器，它具有高响应 度、低暗电流、小电容、高速度、宽带宽、平面正照结构、可靠性高、稳定性好等特点。 在2 5 0 c 时其典型响应度为1 0 椭，响应波长为9 0 0 1 7 0 0 n m ，工作温度为- - 4 0 - - + 8 5 0 c ， 完全满足系统需求。 a d 7 0 8 为a d l 公司的高精度运算放大芯片。它的主要参数为最大3 0 u v 的偏置， 0 3 u v o c 的最大温漂，1 3 0 d b 的最小c m r r ，因此它是一种低失调电压，精密双运算放 大器。 a p d 接收不同的光强以后产生不同强弱的电流，所以在整个放大电路中，它是作为 一个电流源来处理。a d 7 0 8a 外接1 2 0 k 的电阻，将a p d 产生的电流转换为电压， a d 7 0 8b 继而通过可调电位器进行一级放大，a d 7 0 8c 进行二级放大。经过两级放大以 后，光的强弱信号就转换为电压的大小，通过v o u t 输出。 f p g a 扩展部分的主要芯片有x f l i n x 公司的s p a r t ai i2 s 1 0 0 - p q 2 0 8 5 ，a d i 公司的 a d 9 2 8 8 ，以及l y o n t e k 公司的s r a m 芯片l y 6 1 l 5 1 2 8 。 分布式光纤测温系统的设计与实现 s p a r t ni i2 s 1 0 0 - p q 2 0 8 5 的器件密度为1 0 万门，内置5 k b y t e 的r a m ，最高工作频 率可达到1 2 5 m h z 。作为主控制器，f p g a 通过自己的可编程端口实现对a d c 、时钟、 c h b 通道、u s b 的控制与数据处理。 a d 9 2 8 8 具有双通道1 0 0 m 采样率，低功耗，4 7 5 m 的采样带宽，兼容，r r l 和c m o s 电平。参考电压典型值为1 2 5 v 。其内部结构图如图3 3 所示。 b i c a i l i 啷一 r f - f o i f f r l 臣m b 一b 一b 日c i v o 锄v o o 图3 3a d 9 2 8 8 内部结构图 f i g 3 3 a d 9 2 8 8i n n e rs u u c m r a ld i a g r a m d t a - d o i l 日脚 从图中可以看出，a d 9 2 8 8 具有两套完全独立的采样构件，两个独立的模拟量输入端 口，两套数字量输出端口，以及两个独立的外部采样时钟，这些让a d 9 2 8 8 具有更灵活 的控制功能。a d 9 2 8 8 具有非常简单的操作方法，每当外部的采样时钟上升沿到来，就会 在数字量输出端自动输出当前通道的a d 转换结果。 l y 6 1 l 2 5 6 1 6 为l y o n t e k 公司的2 5 6 k 1 6 位的高速c m o ss r a m 。它具有1 0 n s 的高速访 问速度，极低的功耗，标准的3 3 v 单源供电，所有的输入输出兼容t 儿电平等特点。 其内部结构框图如图3 4 所示。 地址线1 8 根经过编码器连接至存储矩阵，数据线1 6 根连接端口状态控制器，和列 控制寄存器，其他使能控制线与数据寄存器共同作用，对外提供不同的访问方式。其中 l b 截和u b # 分别控制存储矩阵的低8 位数据和高8 位数据。 峨 茹一 大连理工大学硕士学位论文 图3 4l y 6 1 l 2 5 6 1 0 内部结构图 f i g 3 4 l y 6 1 l 2 5 6 1 6i n n e rs t r u c t u r a ld i a g r a m f p g a 扩展板的主要芯片连接如图3 5 所示。 在f p g a 的i o 端口中选择1 8 个引脚与r a m 的1 8 个地址引脚相连，r a m 的读写 控制完全由f p g a 控制。同时f p g a 也控制着a d 9 2 8 8 的启动采样。在采样开始之前， 首先选择r a m 的地址单元，然后修改写使能，等待数据录入。进而f p g a 启动采样，数 据输出并保持在r a m 韵存储单元中：f p g a 更换存储单元地址，重新进行采样。 图3 5f p g a 板芯片连接图 f i g 3 5f f g ab o a r dc h i p sc o n n e c t i o n 分布式光纤测温系统的设计与实现 3 3 系统核心电路设计 3 3 1采集板与核心板的互联 f p g a 扩展板对核心板o s k 5 9 1 2 需要提供数据访问接口和控制接口。f p g a 扩展板 的r a m 数据口连接在o m a p 5 9 1 2 的d s p 上的d m a 接口。o m a p 5 9 1 2 同时具有a r m 上的d m a 和d s p 上的d m a ，选择与d s p 的直连，可以减少数据的传输步骤，加快数 据处理速度。需要数据读入处理时，通过d m a 对f p g a 上的r a m 进行块读入，避免数 据在a r m 和d s p 之间来回传输，可以极大的提高读取速度。f p g a 对o s k 5 9 1 2 提供的 接口如图3 6 所示。 图3 6f p g a 接口图 f i g 3 6f p g ai n t e r f a c e d o - - - d 1 5 为扩展板上r a m 的数据线，连接在o s k 5 9 1 2 的数据总线上，由于电平信 号和数据位数一致，可以完全兼容。a o - - a 1 7 为r a m 的地址线，在内核移植时对此段数 据进行统一编址，便于d m a 的数据读入。r a ms t a t e 用于指示r a m 的状态，r a m 在使用过程中会出现损坏，当f p g a 检测r a m 有地址损坏时，该引脚会出现低电平。 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 i s _ _ o v e r 用于连接至a r m 的中断引脚，指示a r m 外围数据采集完成。一旦外围数据 采集完成，完整的保存在r a m 中，该引脚会产生下降沿，引发d s p 中断，进而d s p 启动d m a 读入r a m 数据。b e g i n 是a r m 通知外围扩展板启动采集的信号。当该信号 变为低电平，f p g a 启动a d 采样，并保存数据。r a me n a b l e 连接在r a m 的芯片使 能端，在存储系统中，该信号用来控制数据端口的电平。如果该信号为高电平，则数据 端口保持高阻状态，与数据总线实际是隔离状态。只有为低电平时，数据端的电平才为 有效电平。r a m r e a d 是r a m 的读使能信号，在芯片使能有效状态下，读使能信号有 效，才能将r a m 中的数据传输到数据总线上。同理，r a mw r i t e 是r a m 的写使能信 号，控制r a m 的数据写入。 3 3 2 人机交互电路 人机界面专用键盘显示器通过串口与o s k 主板通信，主板采用的串行控制芯片为 m a x 3 2 2 1 ，m a x 3 2 2 1 与o m a p 5 9 1 2 的连接如图3 7 所示。 图3 7l t t t x 3 2 2 1 与0 m p 5 9 1 2 连接电路 f i g 3 7 m a x 3 2 2 1c o n n e c t i o nw i t ho m a p 5 9 1 2 3 3 3t l $ b 连接电路 u s b 硬盘或u 盘通过u s b 接口与o s k 主板通信，主板采用的u s b 控制芯片为 s n 7 5 2 4 0 p w 暑i i t p s 2 0 4 5 ，与0 m a p 5 9 1 2 的连接如图3 8 所示。 分布式光纤测温系统的设计与实现 o m a p 5 9 1 2 的控制引脚连接驱动芯片，产生有效的具有一定负载能力的电压信号。 o m a p 的u s b 数据线经过下拉和总线驱动接至对外的端口，以延长u s b 的扩展距离和防止 外部信号干扰。 图3 8u s b 接口芯片与o m a p 5 9 1 2 连接电路 f i g 3 8u s bc o n n e c t i o n 、“i t lo m a p 5 9 1 2 3 3 4o f 卡接口电路 o m a p 5 9 1 2 提供外围c f 卡接口，c f 卡接口如图3 9 所示。 图3 90 姒, p 5 9 1 2c f 卡接口电路 f i g 3 9 o m a p 5 9 1 2c fc adi n m f a e ：e 大连理工大学硕士学位论文 3 3 5 网络接口电路 网络接口为系统的重要接口，系统采用l n 9 1 c 9 6 和e 2 0 0 9 网络接口芯片，网络接口 与f l a s h 总线复用，当系统采用c f 卡作存储器时，如果数据量较大，网络功能和存储功 能会有影响，因此，如果系统采样率较高，需要存储和网络传输的数据量都较大时，应 该选用u s b 存储器。 o m a p 5 9 1 2 与l n 9 1 c 9 6 和e 2 0 0 9 网络接口电路如图3 1 0 所示。 图3 1 00 9 a p 5 9 1 2 与网络接口电路 f i g 3 1 0 n e ti n t e r f a c ei cc o n n e c t i o nw i t ho m a p 5 9 1 2 3 4 人机交互的硬件设计 人机界面专用键盘显示器是可选器件，是用户与系统交互和查看信号波形的终端。 由于选用串口传递信息和数据，与核心板是低耦合的关系。在长期监测或不用时可关闭 其电源，断开串口，拆下带走。人机界面专用键盘显示器的原理如图3 1 1 所示。 分布式光纤测温系统的设计与实现 人机界面专用键盘显示器模块由m p u 、r s 2 3 2 串行通信口、k e y b o a r d 、l c d 四部 分组成。 m p u 选用t i 公司的1 6 位低功耗m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片，该芯片自带f l a s h 存储器和 s r a m ，不用扩展存储器，只需外接电源和晶振就可以组成最小系统】。另外，该芯片 提供6 个8 位并行端口，其中2 个并行端口具有中断功能，可用作键盘接口，其它p 4 、p 5 端 口与l c d 连接。m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片还提供两个异步通信串行i l l u a r t o 和u a r t i 。 图3 1 1 人机界面专用键盘显示器电路原理图 f i g 3 11l ( e y b o a r da a dl c di 劬口住 r s 2 3 2 行通信口是本模块与o s k 5 9 1 2 主板通信的接口，该部分使用m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯 片的u a r t o 与m a x 3 2 3 2 串行通信芯片连接提供r s 2 3 2 串行通信端口。 大连理工大学硕士学位论文 k e y b o a r d 键盘部分使用p 1 o p 1 4 可中断端口与5 个按键组成包含上、下、左、右 和确定键的小键盘，与显示器界面菜单配合使用，可通过串口进行控制命令的发送。 l c d 选用广州市千喜科技开发有限公司生产的h s l 9 2 6 4 1 型1 9 2 6 4 点阵l c d ， h s1 9 2 “是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器列驱动器及1 9 2 6 4 全点阵液晶 显示器组成，可完成图形显示，也可以显示1 2 4 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。根据需求，将1 9 2 “显示屏划分为菜单区、信息区和图形区三部分，如图3 1 2 所示。菜单区显示控制命令， 与键盘配合，选择不同的命令发送给o s 硒9 1 2 主板。信息区显示o s k 5 9 1 2 主板通过串口 发送来的消息信息。图形区显示o s k 5 9 1 2 主板发送来的地理位置和温度数据信息。 图形区 菜单区 叶 信息区 1 。一1 9 2 p o t 。1 图3 1 2 显示界面 f i g 3 ，1 2d i s p l a yi n t e 血 坞一 分布式光纤测温系统的设计与实现 4 系统软件的设计和实现 4 1系统的定制和实现 嵌入式系统应用定制和实现的过程是在l i n u x p c 机上创建交叉开发环境，配置l i n u x 内核，编译并装载l i n u x 内核到嵌入式目标系统，编译、装载并运行客户应用程序。 4 1 1 嵌入式l i n u x 交叉开发环境的创建 基于交叉编译的方法，本系统的开发机使用的是普通p c 机，操作系统采用的是r e d h a t 9 0 ，并且已开通n f s 、s m b 、n i n t e t d 服务。对于交叉编译的环境，使用m o n t a v i s t a l i n u x 提供的支持o s k 5 9 1 2 的嵌入式l i n u x 开发包，其安装过程如下： 以r o o t 登录。 群i n s t a l l _ p r e v i e w k i t 。 输入注册码和安装目录。 通过文件拷贝安装一个本地副本。 安装好o s k 5 9 1 2 的嵌入式l i n u x 开发包，就可以进行交叉编译了。 4 1 2l i n u x 内核的配置 l m u x 将它的组