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；所述的数据采集及存储包括光电转换单元，用以把所述光纤传感光信号装换为模拟电信号；信号放大及滤波单元，用以对所述的模拟信号进行一定的放大及简单滤波处理；ADC转换单元，用以将所述放大滤波后的模拟信号转变为数字信号；FPGA控制模块，用以控制所述的ADC转换模块及将转换后的数字信号进行采集；SDRAM存储模块，用以将所述采集的数字信号进行存储；累加平均模块，用以将所述采集的数字信号与所述SDRAM存储的数字信号进行累加平均算法处理。本发明专利技术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; data acquisition and storage comprises a photoelectric conversion unit for the fiber optic sensing signal loaded for analog signals; signal amplifying and filtering unit, analog signal to the a simple amplification and filtering; ADC conversion unit, analog signal to the amplifier after filtering into digital signal; FPGA control module is used to control the ADC conversion module and the converted digital signal collected; SDRAM storage module, with the digital signal is stored in the the acquisition; averaging module, digital signal to the digital signal acquisition and storage of the SDRAM cumulative average algorithm. The invention effectively solves the problem that the acquisition rate of the distributed optical fiber sensing system is low, and the spatial resolution is low, and the storage space is insufficient to influence the extraction of the 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
本专利技术属于分布式光纤传感领域，涉及一种基于FPGA的SDRAM分布式光纤传感数据采集及存储系统。
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。累加平均算法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，本文提出采用价格低、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
本专利技术的任务是针对现有基于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。为了实现上述目的，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，包括：ADC模数转换模块，FPGA控制模块，第一SDRAM存储模块，第二SDRAM存储模块，USB通信模块；所述ADC模数转换模块、第一SDRAM存储模块、第二SDRAM存储模块和USB通信模块分别连接FPGA控制模块。所述ADC模数转换模块包括依次连接的光电转换模块、放大滤波模块、高速ADC转换芯片；所述高速ADC转换芯片与所述FPGA模块连接。所述FPGA模块包括两个多路选择器、两个缓存器、一个多位累加器、一个移位寄存器及系统控制单元，第一缓存器和第二缓存器与多位累加器连接，移位寄存器与多位累加器连接，第一多路选择器与移位寄存器连接，第二缓存器与第二多路选择器连接；系统控制单元分别与第一缓存器、第二缓存器、多位累加器、移位寄存器、第一多路选择器、第二多路选择器连接；多路选择器用以选择SDRAM存储器的读写；所述缓存器用以缓存数据，第一缓存器用于缓存高速ADC模块采集好的数据，第二缓存器用于缓存从SDRAM读出的数据；所述的多位累加器用于对第一缓存器和第二缓存器中的数据进行累加；所述的移位寄存器用以对所述多位累加器输出的数据进行平均处理；所述的系统控制单元对所述的缓存器、所述的多位累加器、所述的移位寄存器、所述的多路选择器、所述的ADC模数转换模块、所述的SDRAM存储模块、所述的USB通信模块的工作进行控制，同时接收所述的ADC模数转换模块、所述的SDRAM存储模块、所述的USB通信模块的反馈信息。其中一个多路选择器用以对所述的SDRAM存储器进行乒乓读写操作，另一个多路选择器选择对其中一个SDRAM存储器进行写数据操作，另一个选择器选择对另一个SDRAM存储器进行读数据操作，SDRAM读写地址由所述系统控制单元提供。所述SDRAM存储模块包括两块SDRAM存储器，用于数据的缓存，所述的两块SDRAM存储器分别与所述FPGA模块连接。所述USB通信模块与所述FPGA模块相连，用于传输系统的数据。本专利技术采用附图1所示的系统结构方案。系统包括ADC模数转换模块，FPGA模块，SDRAM存储模块；USB通信模块；ADC模数转换模块用以将所述分布式光纤传感经光电转换后的模拟传感电信号数字化，转变为数字信号；FPGA模块用于为系统提供缓存器等内部资源及系统控制；SDRAM存储模块，所述的SDRAM存储模块共有两片ADRAM存储芯片，用于存储系统累加平均后的传感数据；USB通信模块用于外界与系统间的通信；所述FPGA控制单元包括：控制ADC模数转换进行信号转换并进行模拟信号到数字信号的转换及转换速率的控制；控制对所述数字信号的采集、缓存；控制对所述采集信号进行累加平均算法处理；控制对所述累加平均后的数据进行乒乓操作存储到所述SDRAM存储器中；作为本本文档来自技高网...

【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，其特征在于，包括：ADC模数转换模块，FPGA控制模块，第一SDRAM存储模块，第二SDRAM存储模块，USB通信模块；所述ADC模数转换模块、第一SDRAM存储模块、第二SDRAM存储模块和USB通信模块分别连接FPGA控制模块。

【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，其特征在于，包括：ADC模数转换模块，FPGA控制模块，第一SDRAM存储模块，第二SDRAM存储模块，USB通信模块；所述ADC模数转换模块、第一SDRAM存储模块、第二SDRAM存储模块和USB通信模块分别连接FPGA控制模块。2.如权利要求1所述一种基于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：所述ADC模数转换模块包括依次连接的光电转换模块、放大滤波模块、高速ADC转换芯片；所述高速ADC转换芯片与所述FPGA模块连接。3.如权利要求1所述一种基于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：所述FPGA模块包括两个多路选择器、两个缓存器、一个多位累加器、一个移位寄存器及系统控制单元，第一缓存器和第二缓存器与多位累加器连接，移位寄存器与多位累加器连接，第一多路选择器与移位寄存器连接，第二缓存器与第二多路选择器连接；系统控制单元分别与第一缓存器、第二缓存器、多位累加器、移位寄存器、第一多路选择器、第二多路选择器连接；多路选择器用以选择SDRAM存储器的读写；所述缓存器用以缓存数据，第一缓存器用于缓存高速ADC模块采集好的数据，第二缓存器用于缓存从SDRAM...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾少航，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36