一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统，主要包括ADC模数转换模块、FPGA模块、SDRAM存储模块、USB通信模块组成；其特征在于：ADC模数转换模块的输出端与FPGA模块相互连接，FPGA模块再分别与SDRAM存储模块和USB通信模块的输入端相互连接；所述FPGA模块包括第一多路选择器、第二多路选择器、第一缓存器、第二缓存器、多位累加器、移位寄存器组成。本发明专利技术的优点是：利用FPGA的高速并行处理能力，实现105MHz的高速数据采集、数据大容量存储及累加平均算法处理，有效解决了分布式光纤传感系统采集速率低而导致空间分辨率低，及存储空间不足而影响传感信号的提取的问题。

A SDRAM based distributed optical fiber sensor data acquisition, storage and processing system based on FPGA

The invention provides a SDRAM distributed optical fiber sensor data acquisition, storage and processing system based on FPGA, including the ADC ADC module, FPGA module, SDRAM memory module, USB communication module; which is characterized in that the output terminal of the ADC analog digital conversion module and FPGA module are connected with each other, then respectively and SDRAM storage module FPGA module and USB communication module input terminal connected to each other; the FPGA module includes a first multiplexer, second multiplexer, a first buffer, the second buffer, the number of accumulator, the shift register. The advantages of the invention are: the use of high speed parallel processing ability of FPGA, the realization of 105MHz high speed data acquisition, data storage and accumulation of large capacity average algorithm effectively solves the distributed optical fiber sensing system acquisition rate low due to low spatial resolution and lack of storage space and the effect of extraction of sensing signal.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统
本专利技术涉及分布式光纤传感领域，特别是涉及一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统。
技术介绍
分布式光纤传感技术是一种可以对一个连续空间的温度和应力等量进行测量的技术。目前常见的分布式光纤传感技术主要是基于后向瑞利散射(Rayleighscattering)的分布式光纤传感技术、基于拉曼散射((Ramanscattering)的分布式光纤温度传感技术、基于布里渊散射(Brillouinscattering)的分布式光纤温度/应力传感技术。空间分辨率是分布式光纤传感中重要的参数，它影响着系统对事件的准确识别和精度定位，理论上分布式光纤传感的空间分辨率主要由脉冲激光的脉冲宽度所决定，但实际上系统的采样率对系统的空间分辨率也有重要的影响。在光脉冲宽度一定的情况下，采样率与空间分辨率有如下关系：式中：l为空间分辨率，C为真空中的光速，n为光纤的折射率，fsample为采样频率。在激光脉冲宽度及探测器带宽确定时，采样率与空间分辨率成反比的关系，采样率越大空间分辨率越高，而高分辨率是我们所追求的，因此在光脉冲宽度一定的情况下我们需要尽可能大的采用率。无论是基于OTDR的光纤传感系统，还是基于BOTDR的光纤传感系统，光纤传输回来的传感信号都参杂着大量的噪声信号，甚至被淹没在噪声信号里面，要想把传感信号从噪声中提取出来就需要对采集系统采集的传感信号进行一定的处理，目前比较快捷简便的方法是累加平均算法处理。传感光纤中不只一种背向散射光，布里渊信号、瑞利信号、拉曼信号等都是同时存在的，在系统中一般只有一种类型的信号是我们所需要的，系统往往受到另外两种信号的影响。同时传感光信号经光电探测后，电路中的电流噪声、热噪声、白噪声等会使原本就微弱的传感信号完全俺没在噪声里，如果对信号进行单纯的放大，虽然传感信号得到了放大，但是也放大了噪声信号，同时放大器的固有噪声也会使信噪比降低。要想把传感信号从噪声中提取出来，就需要对采集的传感信号进行一定的处理，在不改变传感信号的前提下有效抑制噪声。目前比较快捷简便的处理方法是进行累加平均算法处理，累加平均技术主要是利用传感信号的相关性和噪声信号的不相关性来达到降噪的目的。累加平均算法的数学表达式如下式所示：式中：为N个传感信号采样值的算术平均值，N为累加次数，yi为第i个采样值。设噪声的函数表达式为n(t)，传感信号为y(t)，则第K次采集第i点得到的信号x(t)为：xki(t)＝yki(t)+nki(t)(公式3)因为y(t)为周期信号，则未经累加平均处理的信噪比为：式中：为每次采集噪声的有效平均值。假设第K次采集第i点的采集信号为：xki(t)＝yki(t)+nki(t)(公式5)经N次累加后，信号值为：因为y(t)为周期信号，经N次累加后其值会变为原来的N倍，即而噪声为随机信号，经N次累加后其值不是简单的相加，经N次累加的噪声按照同级平均规律增强：因为噪声的平均有效值为n(t)，则经N次累加后其值为则经N次累加后的信噪为由公式(10)可知，经过N次累加平均后，信噪比为原来的倍，平均次数越多信噪比提高越大，因此可以采用多次累加平均的方法对数据进行处理以提取传感信号。在对数据进行处理前需要把一次采集的全部传感数据进行存储，传统的方法多采用RAM或者SRAM进行存储。因为FPGA的存储资源有限，如果采用RAM进行存储，存储的数据量较少，不能满足长距离的光纤传感系统；若采用SRAM进行存储，在大容量存储时需要多片SRAM进行叠加存储，这就会增大系统的体积造，且SRAM价格昂贵，在大容量使用时高昂的成本使人难以接受。SDRAM作数据存储不仅具有大容量和高速度的特点，而且在价格和功耗方面也占有很大的优势，设计方式灵活，可以最大限度的节约资源。因此，本专利技术专利提出采用价格低、容量大、速度也较快的SDRAM存储器作为存储分布式光纤传感数据的存储器。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统，针对现有基于FPGA的分布式光纤传感数据采集、处理系统中，FPGA存储资源有限而提出的外挂SDRAM存储模块作为系统数据的存储器，该基于SDRAM的分布式光纤传感数据存储系统可以快速、大量存储系统采集的传感数据，使系统采集的数据得到有效的保存不至于溢出，这对后续累加平均处理提取传感信号非常的重要。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一种技术方案是：一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统主要包括ADC模数转换模块、FPGA模块、SDRAM存储模块、USB通信模块组成；其特征在于：ADC模数转换模块的输出端与FPGA模块相互连接，FPGA模块再分别与SDRAM存储模块和USB通信模块的输入端相互连接。进一步，所述ADC模数转换模块为AD7705双路16位型号的ADC模数转换模块。进一步，所述FPGA模块包括第一多路选择器、第二多路选择器、第一缓存器、第二缓存器、多位累加器、移位寄存器组成；其特征在于：第一多路选择器、多位累加器、移位寄存器和第一缓存器依次串接，第二多路选择器、第二缓存器和多位累加器再依次串接，共同构成FPGA模块。进一步，所述SDRAM存储模块包括两个SDRAM存储模块，均为V4220M64位型号的SDRAM存储模块，两个SDRAM存储模块分别FPGA模块相互链接。进一步，所述USB通信模块用以系统与上位机之间相互通信。本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用了大规模可编程逻辑器件FPGA的灵活性，设计了基于FPGA的ADC采集控制，缓存控制，累加平均控制，存储控制。FPGA的高速运行速度，控制ADC芯片进行高速数据采集，有效解决了分布式光纤传感系统采集速率低而导致空间分辨率低的问题；使用两片SDRAM存储芯片以乒乓方式进行数据存储，解决了SDRAM不能同时进行读写操作的缺陷；SDRAM存储容量大，有效解决了因系统存储空间不足而影响传感信号的提取的问题。附图说明图1为本专利技术的系统结构原理图；图2为本专利技术的FPGA模块的结构原理图。附：图中各部件的标记如下：1、ADC模数转换模块，2、FPGA模块，3、SDRAM存储模块，4、USB通信模块，5、第一多路选择器，6、第二多路选择器，7、第一缓存器，8、第二缓存器，9、多位累加器，10、移位寄存器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。请参阅图1-2，本专利技术实施例包括：一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统，主要包括ADC模数转换模块(1)、FPGA模块(2)、SDRAM存储模块(3)、USB通信模块(4)组成；其特征在于：ADC模数转换模块(1)的输出端与FPGA模块(2)相互连接，FPGA模块(2)再分别与SDRAM存储模块(3)和USB通信模块(4)的输入端相互连接。进一步，所述ADC模数转换模块(1)为AD7705双路16位型号的ADC模数转换模块，用以将分布式光纤传感的传感信号经光电转换、放大滤波后进行数字化，转变为数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统主要包括ADC模数转换模块、FPGA模块、SDRAM存储模块、USB通信模块组成；其特征在于：ADC模数转换模块的输出端与FPGA模块相互连接，FPGA模块再分别与SDRAM存储模块和USB通信模块的输入端相互连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统主要包括ADC模数转换模块、FPGA模块、SDRAM存储模块、USB通信模块组成；其特征在于：ADC模数转换模块的输出端与FPGA模块相互连接，FPGA模块再分别与SDRAM存储模块和USB通信模块的输入端相互连接。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统，其特征在于：ADC模数转换模块为AD7705双路16位型号的ADC模数转换模块。3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集、存储及处理系统，其特征在于：FPGA模块包括第一多路选择器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾少航，万生鹏，胡元华，陈瑞麟，贾鹏，唐晨飞，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36