虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器系統(tǒng)設計

李忠勤，劉遠義，王培雷

（1.黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院；2.黑龍江科技大學 信息網(wǎng)絡中心，黑龍江 哈爾濱 150022）

分布式光纖傳感器系統(tǒng)是一種利用激光在光纖中傳輸時產(chǎn)生的背向拉曼散射信號、根據(jù)光時域反射原理和雷達工作原理來獲取空間溫度分布信息和空間定位信息的監(jiān)控系統(tǒng).[1-2]拉曼散射信號本身有用信號小，噪聲很大、頻帶寬，這就需要將有用信號提取出來，從而提高傳感器系統(tǒng)的測量精度.[3]虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器應用在分布式光纖傳感器系統(tǒng)中，是其重要的數(shù)據(jù)采集處理設備.

1 硬件電路設計

虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器是基于虛擬儀器設計原理，利用計算機的控制接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理與控制，系統(tǒng)由電路設計和計算機軟件設計兩部分組成.電路設計分三部分即：模擬前置電路與AD轉換電路、可編程邏輯控制電路、計算機接口電路.虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器電路設計原理框圖如圖1所示.

圖1 原理框圖

1.1 模擬前置電路與AD轉換電路

模擬前置電路與AD轉換電路如圖2所示.

系統(tǒng)設計是雙通道同步采集累加功能，模擬前置采用3個高速運算放大器進行處理，AD轉換器本身是單極性信號，采用一個運算放大器進行偏置實現(xiàn)信號極性轉換，滿足AD轉換的要求.

模擬前置電路信號送AD轉換器通過邏輯控制實現(xiàn)AD轉換，AD轉換完成的數(shù)據(jù)送給FIFO，實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，通過計算機接口將數(shù)據(jù)讀取到計算機.

1.2 可編程邏輯控制電路

可編程邏輯控制是通過大規(guī)模可編程邏輯器件實現(xiàn)的，主要實現(xiàn)的功能有系統(tǒng)地址譯碼、AD轉換邏輯控制、雙通道FIFO數(shù)據(jù)邏輯控制、計算機接口電路數(shù)據(jù)通訊邏輯控制等.100M晶體振蕩器與大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷B接實現(xiàn)AD轉換100M速率轉換，同時與雙通道FIFO的同步時鐘連接，實現(xiàn)100M數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)存儲.

1.3 計算機接口控制電路

系統(tǒng)設計采用PC104總線的計算機接口，將計算機的地址線 A9～A0、AEN、RD、WE、D7～D0與大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷嘟樱笠?guī)模可編程邏輯器件可以進行地址譯碼、邏輯控制等，通過計算機軟件程序實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取與控制.

2 軟件設計

虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器的電路能夠實現(xiàn)小信號的高速采集，通過上層計算機軟件能夠最終的數(shù)據(jù)累加，同時計算機本身速度非?？?，能夠實現(xiàn)快速累加.軟件設計的邏輯代碼示例函數(shù)如下：

設置采樣的觸發(fā)頻率函數(shù)

設置采樣長度和累加次數(shù).

讀取雙通道FIFO的狀態(tài)，當采樣啟動后，F(xiàn)IFO半滿一次，計算機讀取一次數(shù)據(jù).

計算機軟件通過大數(shù)據(jù)量的讀取能夠實現(xiàn)將多次的數(shù)據(jù)累加，也就是通常所說的累加去噪聲的方法，這樣能夠實現(xiàn)盡量去掉白噪聲，提取出有用的小信號.

圖2 模擬前置電路與A/D轉換電路

3 結束語

虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器在分布式光纖傳感器系統(tǒng)的使用，無論從采集和累加速度、系統(tǒng)頻帶寬度、系統(tǒng)的噪聲情況等都達到當前國內的先進水平，圖3是使用虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器的分布式光纖傳感器系統(tǒng)的測溫系統(tǒng)的8Km溫度數(shù)據(jù)曲線.

曲線可以看出噪聲情況是很好的，8Km時能達到±0.5℃的穩(wěn)定性，可以說達到國內先進水平，虛擬小信號高速采集＆數(shù)據(jù)累加器必將在分布式光纖溫度傳感器領域廣泛應用.

圖3 8Km溫度數(shù)據(jù)曲線

〔1〕何青爾,李永倩,王虎,李歡.時域反射型分布式光纖傳感器性能比較及應用 [J].電力系統(tǒng)通信,2012(8).

〔2〕張小麗,陳樂,孫堅,鄭堅璐.一種分布式光纖溫度傳感器的校準方法[J].自動化儀表,2011(12).

〔3〕黃祥,甘孝清,李強,曾祥進.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)應用研究[J].長江科學院學報,2013(2).