分布式光纤测温系统的设计与实现.docx

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分布式光纤测温系统的设计与实现

西南大学毕业论文

题目：

分布式光纤测温系统的设计与实现

专业：

电子信息工程技术

班级：

一班

学生姓名：

杨杰

指导教师：

谢熹

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20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测量。

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3dB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Stokes光和Anti．Stokes光透过分光系统；两束光分别进入光电探测器（PD），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TI公司的双核微处理器。

0MAP5912对FPGA模块发出采集控制信号，FPG巩负责控制与脉冲调制器间的同步，计时，同时触发AD采集。

采集结束，FPGA发出中断，通知采集过程结束。

OMAP5912发出传输数据指令，将外接RAM中的数据读入DSP进行数据处理。

在DSP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oMAP5912下的软件开发，包括在ARM下的GPP

的开发，在DSP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0mtP5912；FPGA；数据处理

DesignandImplementationofDistributedFiberTemperature—measuredSystem

Abstract

Theinformationtechnologyandsensingtechnologyrepresentedasfibercommunicationandfibersensingarestronglydevelopedinthisseveraldecades,whichimmenselyacceleratestheprogressofhumansociety．

Comparedwithothersensor,fiberisnewsensorwithitsindividualadvantage．Itresistselectromagnetism，adaptshightemperature，andissensitivetotemperatureandemergencyItisverycheapandeasytoproduct．Itcanrealizerealmeasurementinline,eveninfield．Sofibersensingisdevelopedveryfastinrecentyears，andusedinmorewiderange．

Themostcostofdistributefibertemperature-measuredsystemaresignalcollecting,dataprocessingandbackgroundsoftwareprogramming．Theydecidethecollectingprecision,collectingspeedandfinalresponsetime，Howtoimprovetheprocessingspeedandhowtocoordinatedatatransmissionbetweendifferentpartsaremostimportantinthissystem．

ThepaperbringsupanewproposalbasedonembeddedsystemwhichusesRamanscatteringtodemodulatetemperate．Becauseofthelongdistanceoffibersensor，thesystemcanrunfieldmeasurement，whichcouldgetstericaltemperatureinformationin3-Dmodel．Thisexactlymeetstherequesttorealtimemeasurementofsensingnetinlargeproject

Thepaperdetailedintroduceslightpathdesign,hardwarecircuitdesignandsoftwaredesigninembeddedfibersensingdistributedtemperature-measuredsystem．Thesynchronousofdifferentmodulesinsystemiscontrolledbyhardwarecircuit．Themaincontrolchipisdual-kemelmicroprocessorOMAP5912manufacturedbyTIcompany．OMAP5912sendsacollectingsignaltoFPGA，andFPGAcontrolthesynchronousbetweencollectingpartandpulsemodulator,countingandtriggerADcollect．Oncecollectends．FPGAsendsainterrupttoOMAP5912．ThenOMAP5912runinstructiontotransportdatafromRAMoutside．Waveletmulti-resolutionanalysisisdoneinDSP，whichcanreducenoiseseffectively．

AISOthePaperexpoundsoftwaredevelopmentunderdual-kernelmicroprocessorOMAP5912．includingGPPonARM，arithmeticcompileOnDSP，andcommunicationbetweenthem．Finally．thepaperanalyzestestresultandbringupanimprovedmethod．

KeyWords:

RamanScattering；DistributedFiberMicroprocessorOMAP5912；FPGA；DataProcessing

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。

1．1分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测

分布式光纤测温系统在管道泄露上的检测。

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。

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TI公司的OMAP5912舭tM+DSP双内核微处理器作为采集点的核心部分，利用DSP核作为数据的采集与处理，ARM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CDMA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。

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ADC的采样速率。

激光脉冲在传感光纤中的传输速率约为2X108m／s，要实现O．5～2m的空间分辨率，ADC采样速率要达到100MSPS。

另外，由于光纤测湿中ADC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ADC同步对Anti．Stokes和Stokes信号进行实时采样，依靠ADC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，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OMAP的DSP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PC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FPGA控制AD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。

第四章详细介绍了嵌入式系统的定制和实现，AI）采集控制程序，OMAP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。

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。

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AD采集芯片AD9288的模拟信号采集端。

FPGA芯片Spa．r协II2S100-PQ208．5负责AD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AD数据传输到RAM芯片。

当采集完成，FPGA会产生信号，通知OMAP5912采集完成。

该信号连接在OMAP5912DSP核的中断源端口。

OMAP5912接收到中断请求，将总线控制权转给DMA模块，由DMA模块从外部RAM读入数据，传递给DSP进行处理。

DSP处理完成后，将数据存入ARM上的定制数据库。

ARM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。

FPGA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。

ARM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。

DSP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。

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fl-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。

拉曼散射（Ramanscattering，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。

1923年A．G．S．斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射‘51。

1928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vO）两侧对称地伴有频率为v0：

t：

vi（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vi与入射光频率v0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（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和喇曼（Raman）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Stokes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Anti．Stokes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。

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。

3db的光耦合器会将约50％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——Stokes光和Anti-Stokes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APD（AvalanchePhotodiode，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【9，101。

3．2

AD采集部分电路设计

FPGA板上主要包含2个部分电路：

光电转换部分，FPGA扩展部分。

光电转换部分的主要器件为APD和运算放大器AD708。

APD采用的是成都莱特瑞科公司的产品2．5Gb／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250C时其典型响应度为10椭，，响应波长为900．1700nm，工作温度为--40--+850C，完全满足系统需求。

AD708为ADI公司的高精度运算放大芯片。

它的主要参数为最大30uV的偏置，0．3uV／oC的最大温漂，130dB的最小CMRR，因此它是一种低失调电压，精密双运算放大器。

APD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。

AD708A外接120k的电阻，将APD产生的电流转换为电压，AD708B继而通过可调电位器进行一级放大，AD708C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VOUT输出。

FPGA扩展部分的主要芯片有Xilinx公司的SpartaII2S100-PQ208．5，ADI公司的AD9288，以及Lyontek公司的SRAM芯片LY61L5128。

SpartnII2S100-PQ208·5的器件密度为10万门，内置5Kbyte的RAM，最高工作频

率可达到125MHz。

作为主控制器，FPGA通过自己的可编程端口实现对ADC、时钟、CHB通道、USB的控制与数据处理。

AD9288具有双通道100M采样率，低功耗，475M的采样带宽，兼容，rrL和CMOS电平。

参考电压典型值为1．25V。

其内部结构图如图3．3所示。

从图中可以看出，AD9288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AD9288具有更灵活的控制功能。

AD9288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AD转换结果。

LY61L25616为Lyontek公司的256K×16位的高速CMOSSRAM。

它具有10ns的高速访问速度，极低的功耗，标准的3．3V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18根经过编码器连接至存储矩阵，数据线16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LB截和UB#分别控制存储矩阵的低8位数据和高8位数据。

FPGA扩展板的主要芯片连接如图3．5所示。

在FPGA的I／O端口中选择18个引脚与RAM的18个地址引脚相连，RAM的读写控制完全由FPGA控制。

同时FPGA也控制着AD9288的启动采样。

在采样开始之前，首先选择RAM的地址单元，然后修改写使能，等待数据录入。

进而FPGA启动采样，数据输出并保持在RAM韵存储单元中：

FPGA更换存储单元地址，重新进行采样。

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

FPGA扩展板对核心板OSK5912需要提供数据访问接口和控制接口。

FPGA扩展板的RAM数据口连接在OMAP5912的DSP上的DMA接口。

OMAP5912同时具有ARM上的DMA和DSP上的DMA，选择与DSP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DMA对FPGA上的RAM进行块读入，避免数据在ARM和DSP之间来回传输，可以极大的提高读取速度。

FPGA对OSK5912提供的接口.

DO---D15为扩展板上RAM的数据线，连接在OSK5912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。

AO．--A17为RAM的地址线，在内核移植时对此段数据进行统一编址，便于DMA的数据读入。

RAMSTATE用于指示RAM的状态，RAM在使用过程中会出现损坏，当FPGA检测RAM有地址损坏时，该引脚会出现低电平

IS__OVER用于连接至ARM的中断引脚，指示ARM外围数据采集完成。

一旦外围数据采集完成，完整的保存在RAM中，该引脚会产生下降沿，引发DSP中断，进而DSP启动DMA读入RAM数据。

BEGIN是ARM通知外围扩展板启动采集的信号。

当该信号变为低电平，FPGA启动AD采样，并保存数据。

RAMENABLE连接在RAM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。

RAM—READ是RAM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RAM中的数据传输到数据总线上。

同理，RAMWRITE是RAM的写使能信号，控制RAM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OS