用于分布式光纤温度传感系统的高速模数采样电路技术方案

本实用新型专利技术公开了用于分布式光纤温度传感系统的高速模数采样电路，其特征在于：包括顺序电连接的控制高速数据采集时序的大规模可编程门阵列、用于对原始信号进行预处理的高速数字处理器、完成数据以太网通讯及模块工作状态管理的中央处理器。它采取三级并行处理方式，具有两路高速数据采集的能力，抗干扰能力强，处理速度快，设计结构简单，可靠性、重复性好。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及模数变换的采样电路，应用于分布式光纤温度传感系统。
技术介绍
分布式光纤传感器系统是国家重点支持的高新技术项目，是当今世界发展最为迅 速的高新技术之一，分布式光纤传感系统的应用范围及其广泛。例如铁路公路的隧道、桥 梁、路基、护坡、直流输电铁塔等等的安全监测；电力中的发电机绕组、地下高压电缆、变压 器、各种高压开关等设施的温度检测；化工的各种输送管道、反应釜设备的温度、压力的监 测；采矿业的矿井温度、压力、矿井结构、气体等等安全监测；仓储业的粮仓、油库等等库房 的温度检测；智能建筑中的安全系统，管理系统；水利中的大坝、水渠的安全监测，精密水 位测量；航运业中大型轮船的设备温度、船舱温度、船体结构监测；等等。光纤的温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射(OTDR)原理以及光纤的背 向拉曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向 前传播，在播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射 光的方向相反(亦可称为“背向”)。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一 定的相关关系。反射点的温度(该点的光纤的环境温度)越高，反射光的强度也越大。也 就是说，背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出背向反射 光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。而系统的空 间定位功能则通过测量从激光脉冲发出到背向反射光回来的时间差实现。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、大的信号传输带宽等特点。它能够连续 测量光纤沿线所在处的温度，测量距离在几千米范围，空间定位精度达到米的数量级，能够 进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。图1为分布式光纤温度传感系统框图，其中瑞利和拉曼光经高频放大器，产生正 负2V电压，频率200MHz左右的高频电信号。目前，AD转换器市面上在IOOMHz上比较多， 但大多是单通道，双通道价格贵，其致命的缺点是都是插卡式，抗干扰能力差，不适于现场 使用。另一缺点是发出的激光脉冲的同步性不严格，使测量距离的分辨率大打折扣。还缺 少其它辅助单元控制，如曲线恒温制制等。
技术实现思路
本技术的目的在于，克服现有技术的不足，提出一种新型用于分布式光纤温 度传感系统的高速模数(A/D)采样电路，设计结构简单，可靠性、重复性均可以满足其要 求。本技术采用的技术方案如下用于分布式光纤温度传感系统的高速模数采样电路，包括顺序电连接的控制高速 数据采集时序的大规模可编程门阵列、用于对原始信号进行预处理的高速数字处理器、完 成数据以太网通讯及模块工作状态管理的中央处理器；大规模可编程门阵列连接有激光脉冲输出的驱动电路、A/D采样器；A/D采样器连接有接收反射光信号的信号输入端；中央处理器连接有以太网接口 ；所述采样电路还包括存储采样数据的存储器，同时与高速数字处 理器、大规模可编程门阵列及A/D采样器连接。作为改进，大规模可编程门阵列连接的A/D采样器有两个，构成双通道。作为改进，所述大规模可编程门阵列还连接有输入光通道切换电路。作为改进，在A/D采样器与信号输入端之间连接有信号放大器。作为改进，所述高速数字处理器连接有外部存储器。作为改进，所述高速数字处理器连接有用于光电检测器的温度控制的RS485接口。本技术的有益效果在于采取三级并行处理方式，具有两路高速数据采集的 能力，抗干扰能力强，处理速度快，设计结构简单，可靠性、重复性好。以下结合附图，对本技术做进一步的说明。附图说明图1为分布式光纤温度传感系统框图图2为高速数据采样电路的原理框图图3为数据采用的过程框图具体实施方式参见图2，高速模数(A/D)采样电路采取三级并行处理方式。数据采集处理电路主 要包括用于控制高速数据采集时序的大规模可编程门阵列I(CPLD)，用于对原始信号进行 预处理的高速数字处理器2 (DSP)，完成数据以太网通讯及模块工作状态管理的中央处理器 3 (CPU)。CPLD、DSP和CPU顺序连接，CPLD连接有激光脉冲输出的驱动电路4、输入光通道 切换电路12、A/D采样器5，A/D采样器为两个，具有2路高速数据采集的能力。A/D采样器 连接有信号放大器6，信号放大器6连接有接收反射光信号的信号输入插座7 ；CPU连接有 以太网接口 8 ；所述采样电路还包括存储采样数据的RAM存储器9，同时与DSP、CPLD及A/D 采样器连接。DSP外接有8M SDRAM及IM FALSH存储器10，还连接有用于光电检测器的温 度控制的RS485接口 11。具体技术参数如下通道频响250MHz模拟带宽采样速率100MHz采样数据长度10位二进制长输入电压范围正负2. 5V通讯接口 RS485，RS232C,以太网(TCP/IP 协议)二极管激光驱动输出TTL电平，输出峰值电流20A，脉冲宽度50ns，重复频率 IOKHz。对应A/D采样器的两个信号输入插座7，采用同轴电缆，A/D采样器件采用AD9214， CPLD逻辑控制采用EMP7128，DSP采用TMS320VC5502-300。CPU采用78E516单片机。输入 光通道切换电路12可驱动不同的光开关，以实现多路光通道测量。DSP还连接有为下载DSP及CPU程序使用的端口。参见图3，采样电路的采样过程如下DSP对CPLD发出采样指令后，CPLD启动激光脉冲，并开始控制时钟信号启动A/D 芯片及RAM进行计数。由于一个时钟周期为10ns，即在一个时钟信号内将A/D芯片的输出 值锁存到RAM中，例如长度为SkM的光纤长度，即计数8192个存储单元。 当CPLD计完8192个数值后，即已经采样完8192个A/D采样值后，CPLD不再计数， 开始将RAM切换成DSP的外部存储器，并以中断方式通知DSP。当DSP收到中断信号后，将RAM中的值读入DSP芯片的内存中，至此完成了 一次采 样过程。以此类推，DSP以后依次向CPLD发采集指令，并将每次采集的A/D数据进行滤波， 计算得到了沿光纤长度分辨力为Im的温度分布曲线。DSP计算得到的温度分布曲线，通过它的主机接口(HPI)传送到CPU中，CPU管理 外部以太网及RS232接口，用于联网及报警控制等功能。DSP控制的RS485接口用于光电检测器的温度控制，DSP通过CPLD来驱动光通道 的切换，以满足多个光纤回路的应用。权利要求用于分布式光纤温度传感系统的高速模数采样电路，其特征在于包括顺序电连接的控制高速数据采集时序的大规模可编程门阵列、用于对原始信号进行预处理的高速数字处理器、完成数据以太网通讯及模块工作状态管理的中央处理器；大规模可编程门阵列连接有激光脉冲输出的驱动电路、A/D采样器；A/D采样器连接有接收反射光信号的信号输入端；中央处理器连接有以太网接口；所述采样电路还包括存储采样数据的存储器，同时与高速数字处理器、大规模可编程门阵列及A/D采样器连接。2.如权利要求1所述的高速模数采样电路，大规模可编程门阵列连接的A/D采样器有 两个，构成双通道。3.如权利要求1所述的高速模数采样电路，所述大规模可编程门阵列还连接有输入光 通道切换电路。4.如权利要求1所述的高速模数采样电路，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于分布式光纤温度传感系统的高速模数采样电路，其特征在于：包括顺序电连接的控制高速数据采集时序的大规模可编程门阵列、用于对原始信号进行预处理的高速数字处理器、完成数据以太网通讯及模块工作状态管理的中央处理器；大规模可编程门阵列连接有激光脉冲输出的驱动电路、Ａ／Ｄ采样器；Ａ／Ｄ采样器连接有接收反射光信号的信号输入端；中央处理器连接有以太网接口；所述采样电路还包括存储采样数据的存储器，同时与高速数字处理器、大规模可编程门阵列及Ａ／Ｄ采样器连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟良，
申请(专利权)人：李伟良，
类型：实用新型
国别省市：81[中国|广州]