基于FPGA的分布式光纤测温系统开发.docx
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基于FPGA的分布式光纤测温系统开发
毕业设计论文
基于FPGA的分布式光纤测温系统开发
TemperatureMeasurementSystemofDistributedOpticalFiberBasedonFPGA
张博
吉林建筑大学城建学院
2016年6月
毕业设计论文
基于FPGA的分布式光纤测温系统开发
TemperatureMeasurementSystemofDistributedOpticalFiberBasedonFPGA
学生：
张博
指导教师：
衣文索（副教授）
专业：
电气工程及其自动化
学号：
1209000118
所在单位：
电气信息工程系
答辩日期：
2016年6月
毕业设计（论文）原创承诺书
1．本人承诺：
所呈交的毕业设计（论文）《基于FPGA的分布式光纤测温系统开发》，是认真学习理解学校的《电气信息工程系毕业设计写作规范》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。
2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。
3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。
4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。
以上承诺的法律结果将完全由本人承担！
作者签名：
年月日
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章绪论1
1.1课题研究的背景和意义1
1.2国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状3
1.2.2国内研究现状3
1.3分布式光纤测温原理4
1.4课题研究的主要内容5
第2章总体方案设计6
2.1设计要求6
2.2方案设计6
2.3FPGA选型9
2.4本章小结9
第3章系统核心硬件设计10
3.1基于FPGA的硬件电路10
3.2硬件电路各模块设计10
3.2.1FPGA模块10
3.2.2复位模块11
3.2.3时钟模块12
3.2.4JTAG和AS模块13
3.2.5数码管显示模块14
3.2.6UART模块14
3.2.7光电转换模块16
3.2.8A/D模块17
3.2.9电源模块20
3.3本章小结21
第4章系统软件设计22
4.1软件设计环境22
4.2软件整体设计23
4.3软件模块设计24
4.3.1时钟分频模块设计24
4.3.2串口通信模块设计25
4.3.3数码管模块设计28
4.3.4A/D模块设计30
4.3.5DSP模块设计32
4.4本章小结33
结论34
致谢35
参考文献36
摘要
在很多领域中对环境或设备温度的采集和控制都是非常有必要的，尤其是在电力、石油和化工等一些重要的行业中保证对温度的实时监控更是关键。
传统的单点式温度传感器在对大范围的测温使用上具有一定的局限性，需要研究一种新的分布式温度测量装置来满足要求。
随着基于光纤的传感技术的不断发展和完善，采用光纤实现分布式测温已经开始被广泛应用，而FPGA作为一种功能强大的可编程逻辑器件为分布式光纤测温系统中的数据处理提供了新的选择。
本设计根据分布式光纤测温系统的设计功能要求和实际需求对整体方案进行了讨论分析，并分别给出了相应的硬件方案设计和软件方案设计，其中硬件系统主要是基于FPGA的数据处理和基于光电转换的光路设计，软件系统则是通过VerilogHDL语言在QuartusII软件平台上实现了FPGA内部数据转换、计算和显示等功能。
关键词：
分布式光纤测温；拉曼散射；FPGA；数据处理
ABSTRACT
Itisnecessarytoacquireandcontrolthetemperatureofenvironmentorequipmentinmanyfields,especiallyinsomeimportantfieldslikeelectricpower,petroleumandchemicalindustryetc.whichneedtoguaranteereal-timemonitoringoftemperature.Therearesomelimitationstouseatraditionalsinglepointtemperaturesensorforawiderangeoftemperaturemeasurement,soweneedtostudyanewkindofdistributedtemperaturemeasurementdevicetomeettherequirements.
Withthecontinuousdevelopmentoffibersensingtechnologybasedontheoptical,thedistributedtemperaturemeasurementisrealizedbyusingopticalfiberhasbeenwidelyused,andtheFPGAprovidesanewchoice,whichasakindofpowerfulprogrammablelogicdevicesfordataprocessingindistributedopticalfibertemperaturemeasurementsystem.
Thisdesignofthedistributedopticalfibertemperaturemeasurementsystemisdiscussedandanalyzedaccordingtothefunctionrequirementandtheactualdemandoftheoverallscheme,andthecorrespondinghardwaredesignandsoftwaredesignaregiven.HardwaresystemismainlybasedonFPGAtodealwithdataprocessing,andopticalpathdesignbasedonphotoelectricconversion.SoftwaresystemdesignedbyVerilogHDLlanguageintheQuartusIIsoftwareplatformrealizestheFPGAinternaldataconversion,calculationanddisplay,andotherfunctions.
Keywords:
Distributedfibertemperature-measured；Ramanscattering；FPGA；Dataprocessing
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
在各种农业和工业生产甚至日常的生活中，对环境或者设备温度的采集和控制都是非常有必要的，尤其是在一些重要的行业中保证对温度的实时监控是非常关键的[1-2]。
比如在电力行业中需要对变压器、电缆和发电机等各种电力设备的运行温度进行实时监控，防止由于温度过高损坏设备或引起其他更为严重的事故；还有石油和天然气等能源采集和传输领域，对温度的要求更为严格，温度异常将会发生灾难性的后果；另外温度监测还应用在火灾预防及报警相关领域中，在火灾发生时能够通过探测高温的方法实现火灾发现和报警，为被困人员提供更多的疏散时间。
由此可见，温度检测设备对于现代化的工业发展和人们生活是非常重要的，随着社会的不断发展，对温度检测设备的性能要求也越来越高，相关科研机构也在不断地探索新的测温方法。
随着基于光纤的传感技术的不断发展和完善，采用光纤实现测温作为一种新型的方法也开始被深入的研究和广泛的应用[3]。
基于光纤实现的温度传感器与一般的常规温度传感器有一定的区别，光纤温度传感器是一种分布式的测温方法，也就是在整条实现传感器的光纤线路上均可以进行测温的目的，呈现一种分布式的连续空间测量范围，实现的测温范围更广。
传统的点式温度传感器由于其技术上实现容易且设计简单等特点，已经实现了长足的发展，但是对于连续空间的温度测量使用大量的点式温度传感器又是不太现实的，故基于光纤的分布式测温方案来完成连续空间的大范围温度测量是一种可行的方法。
目前，使用光纤实现的分布式测温方案虽然在成本上高于单点温度传感器，但是其在性价比上确是处于优势位置，并且一条光纤温度传感器的测温距离可以达到几公里。
采用基于光纤的分布式温度测量方法具有很多优点[4]，包括有：
光纤材料本身具有完全的绝缘性和很强的抗干扰性，能够有效地防止大电流和高电压对其产生的冲击，另外光纤还具有耐腐蚀等强悍的环境适应能力；
光纤中传播的是光信号，具有传播速度快，温度测量响应实时性高的优点；
基于光纤实现的温度测量精度高，能够反应较小的温度变化；
测量的范围广，可以实现连续测量温度的距离最大超过了10公里。
正是由于采用光纤作为温度传感器实现的分布式温度测量具有这么多的优点，世界各国的相关研究机构对其都有浓厚的兴趣，都展开了深入的研究[5]。
因此，对基于分布式光纤实现的测温系统进行研究是很有必要的。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对基于分布式光纤的温度测量系统的研究开展的比较早，技术也更为成熟，其最早是在上个世纪七十年代末期的时候由美国研究人员Rogers及其同事提出的[6]，其采用的原理是利用光纤在不同温度先发出的散射光的强度是存在不同的，这种方式简称为POTDR技术，在随后的八十年代中由Hartog所在的实验室成功制作出对应的实验设备验证了其正确性。
英国对于分布式光纤温度测量系统的研究贡献巨大，其首先提出了完整的系统设计方案，并采用了至今仍在广泛使用的基于拉曼散射温度效应原理，该思想是英国的Dakin博士所在的研究中心提出的[7]，并在提出之后的第二年成功的利用了光纤传感器和激光发生器实现了长达100多米距离的温度测量，测量的温度范围为70到910K，测量的温度精度已经达到了10K，温度定位分辨率也是在8米以内。
在完成实验室的验证之后，研究中心又通过使用半导体激光器和光电转换器来完善系统，使得系统的设计更为紧凑和实用。
同样是在英国，南安普敦大学在随后也进行了同样的实验，实现的测量精度和空间分辨率更高。
由此引起了相关的工业产品生产部门和科技生产部门的注意，并成功将其转换为了实用价值非常高的产品。
在1988年的时候，英国的YORK公司正式面向市场退出了一种基于拉曼散射原理的分布式光纤温度传感器系统[8]，其一面市就取得了良好的市场，被广泛的应用在不同领域中。
该产品实现的温度测量范围为-50到+125摄氏度，测量的精度为3摄氏度，温度测量的空间分布分辨率也提高到了7米以内，但是测量距离仅为500米。
随着科研人员对光纤技术、激光发生器以及信号信号处理技术的深入研究，目前英国的YORK公司最新的分布式光纤温度传感器型号为DTS-800已经能够实现距离长达30公里的温度测量。
国外对分布式光纤温度传感器的研究不仅仅是英国，美国和日本等发达国家对其也有很大的研究成果。
日本在上个世纪九十年代的时候已经由腾仓公司自主研制开发出了DTS-1000[9]，而日本在1992年已经能够实现长达7公里的分布式温度传感器设计，空间分辨率更是达到了3米以内。
美国对该领域的研究成功主要是1998年由美国航天局为其飞行设备上需要安装分布式光纤温度传感器[10]，该系统是利用了光纤向后散射的过程中形成的斯托克斯和反斯托克斯光谱的区别进行温度信息采集，其具有更为精确的温度分辨率，已经广泛的应用在各种长距离的输油管道和电力输电线路等领域中。
德国在该领域杰出的代表是GESO技术公司，该公司研究出的产品的优势主要体现在对分布式空间位置的分辨率很高，可以达到0.5米以内，是目前在空间分辨率上做的最好的产品。
总体来说，国外目前对分布式光纤已经比较成熟，已有的产品也有很多，高精度和低成本是国外当前的研究方向。
1.2.2国内研究现状
国内对分布式光纤温度传感器的研究起步比国外稍微晚一点，国内最早是重庆大学于上个世纪八十年代后期开始对其展开了研究[11-12]，设计并完成了相关可行性分析的实验，并完成了具有测量温度距离为1公里，空间分布分辨率达到6米以内的高精度温度传感器，为国内相关研究起了关键的作用。
随后在九十年代，中科院联合计量学院一起对分布式光纤的温度测量技术中的距离问题展开研究[13]，从原来的1公里逐渐增加到2公里、到最后达到了国际水平的30公里，在这个过程中由张在宣等人完成将半导体激光器作为测温系统的光源有着关键的作用[14-15]，其使得光的传输距离大大增长。
随着国内科研成果的不断积累，分布式光纤测温技术逐渐从实验室走向了实际应用，国内越来越多的公司将科研成果转换为实际的产品，打破了由国外相关产品完全垄断的局面。
比如国内具有自主研发能力的浙江宁波振东光电有限公司就已经成功的推出了具有自主知识产权的产品[16]，实现的测温方位为-20到+120摄氏度，测量的范围一般在20公里左右，实现的测量精度完全能够满足实际需求，产品已经成功应用在电力相关领域中。
深圳市的明鑫科技有限公司通过具备有很强的自主研发能力，研发的产品更是高性能，实现的测温范围从-30到+300摄氏度，温度的分辨率更是高达0.1摄氏度，空间分辨率位3米以内，能够实现的温度测量距离可以达到30公里，这些技术都已经达到了国际先进的水平，表明目前国内相关技术已经完全跟上了国外的步伐。
国内针对分布式光纤测温系统的研究已经具备了较高的水平，目前国内研究的内容主要为以下几个方面[17-18]：
1.需要进一步提高产品的性能，从温度的分辨率和温度的测量范围以及空间的测量范围都需要进行深入的研究，保证产品具有高性能才能在更多的领域中实现应用；
2.注重新材料的研究，实现分布式光纤温度传感器的很大原因是很大新材料的出现，尤其是光纤技术和半导体激光器的研发，一次次新材料上的实现的突破都为产品性能的提高做出了极大的贡献；
3.提高自主研发的能力，只有实现完全的自主知识产权话才能够保证产品具有较强的竞争力，同时也能提高经济效益；
4.增大应用领域，分布式光纤温度传感器的应用领域是很广泛的，通过不断的寻找应用领域才能够将其更好的应用在实际中，从而也会更有利于技术的发展。
目前，国内已经有十几家的公司和很多的高校研发机构对分布式光纤测温技术进行深入研究，其实现的产品也是各种各样的。
本文对基于FPGA实现的分布式光纤测温系统进行深入研究，是对其进行的一次有益的探索。
1.3分布式光纤测温原理
总所周知，光在介质中传播的时候会发生一定的散射，使得光的传播方向发生了变化，其中光的散射主要有三种类型：
分别为瑞利散射（Rayleigh）、拉曼散射（Raman）和布里渊散射（Brillouin），三种不同的散射类型的光谱频率分布如图1-1所示。
图1-1光纤散射三种类型示意图
针对图1-1所示的三种不同的散射类型，下面对这三种不同的类型进行详细分析说明。
1.瑞利散射
瑞利散射是一种光纤折射率变化形成的散射现象，其特点是入射光和散射光的频率相同，同时瑞利散射的光强度是最强的。
采用瑞利散射原理实现的分布式传感系统一般采用的是光时域反射（OpticalTimeDomainReflectometry，OTDR）来实现对不同空间位置情况的分析，而检测瑞利散射光的常用方法则是通过检测接收到的瑞利散射光的强度来实现的。
瑞利散射原理是最早使用在分布式光纤温度传感器系统中的，但是由于其对温度发生的变化不是很灵敏，导致其测量温度的范围以及精度都受到了极大的限制，目前已经很少采用该原理实现了。
2.布里渊散射
布里渊散射是由于光子和声子之间产生的非弹性碰撞形成的散射现象，布里渊散射光的频率是会发生变化的，这与瑞利散射是不同的，同时布里渊散射光的频率变化与光纤所在环境的温度和应力是有关的，由于存在着应力因素的影响，使得对布里渊散射光受温度影响和受应力影响进行判断区分是比较困难的。
另外，基于布里渊散射原理的测温系统在实现上造价昂贵，频率与入射光的频率相近等原因，导致其一直没有被大规模使用。
3.拉曼散射
拉曼散射是光纤中的介质分子与入射光的光子之间的相互作用引起的散射现象，在发生碰撞的过程中，入射光中的光子和光纤介质中的分子发生了能量交换，使得光子的传播方向发生改变同时光子携带的能量的变化也导致其频率发生了改变。
在拉曼散射的过程中，如果光子的能量增加的话其散射光的频率增大，称之为反斯托克斯光（Anti-Stokes），反之如果光子的能力减小的话其散射光的频率减小，称之为斯托克斯光（Stokes），两个光谱分布的位置是基本对称的。
在研究中发现，Anti-Stokes受到温度影响比较大，而Stokes几乎不受周围环境因素的影响，故通过两个光谱的比较可以消除应力和光纤弯曲等其他因素的影响，使得温度的测量更为准确。
基于拉曼散射的原理实现的分布式光纤测温系统能对温度变化有更好的敏感性，能够达到很好的测温精度，同时散射光的频率与入射光的频率相差较大，能够较好的进行分离。
综上所述，采用拉曼散射原理更适用于分布式光纤测温系统的设计和开发。
由于光纤能自发形成拉曼散射效应，在通过OTDR技术实现空间定位是完成整个系统功能的关键原理。
1.4课题研究的主要内容
在本设计中主要针对以下问题：
第一，详细地分析讨论了分布式光纤测温系统实现的整体要求，给出最适合于本设计的数据处理方案，从而实现了分布式光纤测温系统的整体设计方案，并对其中关键硬件器件FPGA进行具体选型；
第二，给出了硬件电路的总体设计，包括：
FPGA模块、复位模块、时钟模块、JTAG/AS模块、数码管模块、UART模块、A/D模块、光电转换和电源模块；
第三，通过QuartusII软件实现了软件的整体设计，包括有：
时钟分频模块、数码管模块、串口通信模块、DSP模块、A/D模块和同步模块6个部分，通过所设计的软件实现了分布式光纤测温系统需要的功能。
第2章总体方案设计
2.1设计要求
综合当前人们对分布式光纤测温系统的发展现状及应用需求，对本设计进行功能分析研究，需要满足分布式光纤测温系统的高精度要求和用户方便可靠的对其进行操作，为此，本课题需要完成的任务主要涉及分布式光纤测温系统的硬件设计和分布式光纤测温系统的软件设计两大模块。
为了使本设计项目具有实用价值，真正投入到实际应用，能够对各种不同的使用场合都能精确的测温和定位，而且考虑其复杂环境适应性、多功能性、稳定性以及实用性等指标要求，设计应满足以下方面：
1.硬件电控方面，首先应能够正常工作，其次追求其稳定性、抗干扰性、实用性等；
2.软件设计方面，追求代码的严谨性、全面性、稳定性以及系统工作可靠性等；
3.整体设计方面，追求系统协调性，无论从硬件设计到软件控制，整体都能稳定协调工作；
4.实际应用方面，在使用应用方面需要满足：
①实用性：
追求其实用性，能够完成精确测温需求，工作稳定可靠；②经济性：
在保证性能指标的前提下，考虑其低成本设计；③大众性：
使其面向普通大众用户，非专业人士同样可在短时间内学会操作本系统；④可扩展性：
无论是模块，还是整体，灵活设计。
2.2方案设计
分布式光纤测温系统是在半导体激光发生器产生的具有一定周期规律的光脉冲信号作用下，短光脉冲在传感器光纤中传播的过程中，在各个不同的位置都会发生拉曼散射，而其散射是反向传播的，能够在光波发送端收到拉曼散射的Stokes和Anti-Stokes两种光波，由于两个光波的频率是分布在入射光频率的两侧，所有需要通过分光器得到两个不同的光波后再由两个不同的光滤波器进行滤波，完成消去其他杂波之后将Stokes和Anti-Stokes两种光波分别通过两个光电转换器（AvalanchePhotodiode，APD）将光信号转换为电信号再送入到最终信号处理单元中，通过信号处理模块中的数据处理和计算得到每个位置对应的温度，并可以显示出不同位置的温度情况，如图2-1所示为系统的总体设计方案。
图2-1系统总体设计示意图
在图2-1所示的系统设计中，主要部分是信号处理模块的设计，其是实现整个系统的关键部分，也是本设计的重点，下面对不同的信号处理模块的设计方案进行分析对比，从而选择出最为适合的方案。
方案一：
采用单片机+DSP为核心的控制方案
该方案采用的是单片机和DSP联合的方式，通过单片机控制A/D芯片接收来自光电转换模块的模拟量信息，将模拟量信息转换为数字量信息传输给DSP，由DSP芯片实现数据计算的功能，从而弥补了单片机在数据计算处理上存在的缺陷，DSP将计算完成的结果返回到单片机中，由单片机进行显示或者上次到上位机中，方案一系统设计方案如图2-2所示。
图2-2方案一系统组成框图
方案二：
采用FPGA为核心的控制方案
如图2-3所示为基于FPGA的设计方案，该方案中采用FPGA为核心控制芯片，其在FPGA内部实现了DSP芯片的功能，其他硬件环境与基于单片机的设计方案相同，即将FPGA系统取代单片机系统和DSP系统。
可以在FPGA内部实现一个DSP专用芯片的电路，从而可以省去外部DSP芯片的使用。
图2-3方案二系统组成框图
上述的基于单片机+DSP的设计方案和基于FPGA的设计方案采用的核心芯片都不一样，这就决定了所述的3种方案具有不同的特点，下面对这2种不同的方案进行详细的对比分析，从而选出最佳方案。
基于单片机+DSP实现的方案是利用到单片机的成本比较低，在实现的过程中通过C语言编程也比较容易实现，但是单片机的时钟信号频率不高，同时内部的指令周期也比较长，如果软件编程优化不够的话还会造成更多的指令周期的浪费，由于这些原因造成由单片机实现的计算能力有限，同时单片机自身的资源有限决定了其不能单独实现数据处理，故需要采用专门的DSP芯片来辅助完成计算任务。
基于FPGA实现的方案是分布式光纤测温系统中的数据处理模块的发展趋势，其借助于FPGA内部电路的可编程特点，同时FPGA芯片程序并行处理，芯片频率高的特点都有利于实现高速计算，FPGA芯片相比单片机芯片或DSP芯片成本会高一些，但是随着FPGA技术的发展，其成本也越来越低，性能却越来越强悍。
采用FPGA实现的数据处理模块是在其内部实现一个DSP逻辑电路，该功能基本可以满足一般的计算需要，另外FPGA并行处理机制可以运行其在计算的同时保证实时对数据的传输进行处理。
综上所述，通过对数据处理模块设计方案的比较可以知道，基于单片机+DSP实现的方案具有较好的成本优势，也是目前使用比较多的方案，但是采用FPGA实现的方案才是未来的发展方向。
高性能的数据处理模块需要FPGA的高工作时钟频率和可编程电路的支持，其实现的成本也可以接受。
因此，本设计采用的方案为基于FPGA实现的。
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