本發(fā)明屬于分布式光纖傳感領(lǐng)域，涉及一種基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

分布式光纖傳感技術(shù)是一種可以對一個連續(xù)空間的溫度和應(yīng)力等量進行測量的技術(shù)。目前常見的分布式光纖傳感技術(shù)主要是基于后向瑞利散射(rayleighscattering)的分布式光纖傳感技術(shù)、基于拉曼散射((ramanscattering)的分布式光纖溫度傳感技術(shù)、基于布里淵散射(brillouinscattering)的分布式光纖溫度/應(yīng)力傳感技術(shù)。

空間分辨率是分布式光纖傳感中重要的參數(shù)，它影響著系統(tǒng)對事件的準確識別和精度定位，理論上分布式光纖傳感的空間分辨率主要由脈沖激光的脈沖寬度所決定，但實際上系統(tǒng)的采樣率對系統(tǒng)的空間分辨率也有重要的影響。在光脈沖寬度一定的情況下，采樣率與空間分辨率有如下關(guān)系：

式中：l為空間分辨率，c為真空中的光速，n為光纖的折射率，fsample為采樣頻率。在激光脈沖寬度及探測器帶寬確定時，采樣率與空間分辨率成反比的關(guān)系，采樣率越大空間分辨率越高，而高分辨率是我們所追求的，因此在光脈沖寬度一定的情況下我們需要盡可能大的采用率。

無論是基于otdr的光纖傳感系統(tǒng)，還是基于botdr的光纖傳感系統(tǒng)，光纖傳輸回來的傳感信號都參雜著大量的噪聲信號，甚至被淹沒在噪聲信號里面，要想把傳感信號從噪聲中提取出來就需要對采集系統(tǒng)采集的傳感信號進行一定的處理，目前比較快捷簡便的方法是累加平均算法處理。累加平均算法

傳感光纖中不只一種背向散射光，布里淵信號、瑞利信號、拉曼信號等都是同時存在的，在系統(tǒng)中一般只有一種類型的信號是我們所需要的，系統(tǒng)往往受到另外兩種信號的影響。同時傳感光信號經(jīng)光電探測后，電路中的電流噪聲、熱噪聲、白噪聲等會使原本就微弱的傳感信號完全俺沒在噪聲里，如果對信號進行單純的放大，雖然傳感信號得到了放大，但是也放大了噪聲信號，同時放大器的固有噪聲也會使信噪比降低。要想把傳感信號從噪聲中提取出來，就需要對采集的傳感信號進行一定的處理，在不改變傳感信號的前提下有效抑制噪聲。目前比較快捷簡便的處理方法是進行累加平均算法處理，累加平均技術(shù)主要是利用傳感信號的相關(guān)性和噪聲信號的不相關(guān)性來達到降噪的目的。

累加平均算法的數(shù)學(xué)表達式如下式所示：

式中：為n個傳感信號采樣值的算術(shù)平均值，n為累加次數(shù)，yi為第i個采樣值。

設(shè)噪聲的函數(shù)表達式為n(t)，傳感信號為y(t)，則第k次采集第i點得到的信號x(t)為：

xki(t)＝y(tǒng)ki(t)+nki(t)公式(3)

因為y(t)為周期信號，則未經(jīng)累加平均處理的信噪比為：

式中：為每次采集噪聲的有效平均值。

假設(shè)第k次采集第i點的采集信號為：

xki(t)＝y(tǒng)ki(t)+nki(t)公式(5)

經(jīng)n次累加后，信號值為：

因為y(t)為周期信號，經(jīng)n次累加后其值會變?yōu)樵瓉淼膎倍，即

而噪聲為隨機信號，經(jīng)n次累加后其值不是簡單的相加，經(jīng)n次累加的噪聲按照同級平均規(guī)律增強：

因為噪聲的平均有效值為n(t)，則經(jīng)n次累加后其值為

則經(jīng)n次累加后的信噪為

由公式(10)可知，經(jīng)過n次累加平均后，信噪比為原來的倍，平均次數(shù)越多信噪比提高越大，因此可以采用多次累加平均的方法對數(shù)據(jù)進行處理以提取傳感信號。

在對數(shù)據(jù)進行處理前需要把一次采集的全部傳感數(shù)據(jù)進行存儲，傳統(tǒng)的方法多采用ram或者sram進行存儲。因為fpga的存儲資源有限，如果采用ram進行存儲，存儲的數(shù)據(jù)量較少，不能滿足長距離的光纖傳感系統(tǒng)；若采用sram進行存儲，在大容量存儲時需要多片sram進行疊加存儲，這就會增大系統(tǒng)的體積造，且sram價格昂貴，在大容量使用時高昂的成本使人難以接受。

sdram作數(shù)據(jù)存儲不僅具有大容量和高速度的特點，而且在價格和功耗方面也占有很大的優(yōu)勢，設(shè)計方式靈活，可以最大限度的節(jié)約資源。因此，本文提出采用價格低、容量大、速度也較快的sdram存儲器作為存儲分布式光纖傳感數(shù)據(jù)的存儲器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是針對現(xiàn)有基于fpga的分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)中，fpga存儲資源有限而提出的外掛sdram存儲模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲器，該基于sdram的分布式光纖傳感數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可以快速、大量存儲系統(tǒng)采集的傳感數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)得到有效的保存不至于溢出，這對后續(xù)累加平均處理提取傳感信號非常的重要。

為了實現(xiàn)上述目的，一種基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲及處理系統(tǒng)，其特征在于，包括：adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，fpga控制模塊，第一sdram存儲模塊，第二sdram存儲模塊，usb通信模塊；所述adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、第一sdram存儲模塊、第二sdram存儲模塊和usb通信模塊分別連接fpga控制模塊。

所述adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括依次連接的光電轉(zhuǎn)換模塊、放大濾波模塊、高速adc轉(zhuǎn)換芯片；所述高速adc轉(zhuǎn)換芯片與所述fpga模塊連接。

所述fpga模塊包括兩個多路選擇器、兩個緩存器、一個多位累加器、一個移位寄存器及系統(tǒng)控制單元，第一緩存器和第二緩存器與多位累加器連接，移位寄存器與多位累加器連接，第一多路選擇器與移位寄存器連接，第二緩存器與第二多路選擇器連接；系統(tǒng)控制單元分別與第一緩存器、第二緩存器、多位累加器、移位寄存器、第一多路選擇器、第二多路選擇器連接；多路選擇器用以選擇sdram存儲器的讀寫；所述緩存器用以緩存數(shù)據(jù)，第一緩存器用于緩存高速adc模塊采集好的數(shù)據(jù)，第二緩存器用于緩存從sdram讀出的數(shù)據(jù)；所述的多位累加器用于對第一緩存器和第二緩存器中的數(shù)據(jù)進行累加；所述的移位寄存器用以對所述多位累加器輸出的數(shù)據(jù)進行平均處理；所述的系統(tǒng)控制單元對所述的緩存器、所述的多位累加器、所述的移位寄存器、所述的多路選擇器、所述的adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、所述的sdram存儲模塊、所述的usb通信模塊的工作進行控制，同時接收所述的adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、所述的sdram存儲模塊、所述的usb通信模塊的反饋信息。

其中一個多路選擇器用以對所述的sdram存儲器進行乒乓讀寫操作，另一個多路選擇器選擇對其中一個sdram存儲器進行寫數(shù)據(jù)操作，另一個選擇器選擇對另一個sdram存儲器進行讀數(shù)據(jù)操作，sdram讀寫地址由所述系統(tǒng)控制單元提供。

所述sdram存儲模塊包括兩塊sdram存儲器，用于數(shù)據(jù)的緩存，所述的兩塊sdram存儲器分別與所述fpga模塊連接。

所述usb通信模塊與所述fpga模塊相連，用于傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明采用附圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。系統(tǒng)包括adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，fpga模塊，sdram存儲模塊；usb通信模塊；adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖傳感經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的模擬傳感電信號數(shù)字化，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；fpga模塊用于為系統(tǒng)提供緩存器等內(nèi)部資源及系統(tǒng)控制；sdram存儲模塊，所述的sdram存儲模塊共有兩片adram存儲芯片，用于存儲系統(tǒng)累加平均后的傳感數(shù)據(jù)；usb通信模塊用于外界與系統(tǒng)間的通信；

所述fpga控制單元包括：控制adc模數(shù)轉(zhuǎn)換進行信號轉(zhuǎn)換并進行模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換速率的控制；控制對所述數(shù)字信號的采集、緩存；控制對所述采集信號進行累加平均算法處理；控制對所述累加平均后的數(shù)據(jù)進行乒乓操作存儲到所述sdram存儲器中；

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，

一種基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲及處理系統(tǒng)，包括以下步驟：

步驟一，所述fpga控制單元控制adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對光纖傳感的傳感信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號緩存到第一緩存器當中；

步驟二，與步驟一同時進行，所述系統(tǒng)控制單元控制多路選擇器對所述的sdram存儲模塊進行乒乓讀數(shù)據(jù)，并把讀取的數(shù)據(jù)緩存在第二緩存器當中；

步驟三，與步驟一同時進行，所述系統(tǒng)控制單元控制累加平均模塊同時讀取第一、第二緩存器當中的數(shù)據(jù)，并進行累加平均算法運算，在累加平均運算的同時對累加平均運算的次數(shù)進行計數(shù)；

步驟四，所述系統(tǒng)控制單元控制多路選擇器選擇sdram存儲器同時往存儲器中寫入步驟三累加平均后的數(shù)據(jù)；

步驟五，與步驟四同時進行，若步驟三中累加平均計數(shù)值大于或等于設(shè)計值后同時把累加平均運算后的數(shù)據(jù)輸出到usb通信模塊；

步驟六，所述fpga控制單元控制usb模塊對數(shù)據(jù)進行傳輸；

經(jīng)過所訴步驟一至六完成了分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲及處理。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述方法實現(xiàn)了分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲和處理。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明利用了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷pga的靈活性，設(shè)計了基于fpga的adc采集控制，緩存控制，累加平均控制，存儲控制。fpga的高速運行速度，控制adc芯片進行高速數(shù)據(jù)采集，有效解決了分布式光纖傳感系統(tǒng)采集速率低而導(dǎo)致空間分辨率低的問題；使用兩片sdram存儲芯片以乒乓方式進行數(shù)據(jù)存儲，解決了sdram不能同時進行讀寫操作的缺陷；sdram存儲容量大，有效解決了因系統(tǒng)存儲空間不足而影響傳感信號的提取的問題。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明的一種基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲及處理方法的系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明的一種基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲及處理方法的fpga模塊圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種用于分布式光纖傳感的基于fpga的sdram分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集、存儲及處理系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)包括adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，fpga模塊，系統(tǒng)控制模塊，sdram存儲模塊，usb通信模塊。

所述adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用以將所述分布式光纖傳感的傳感信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大濾波后進行數(shù)字化，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

如圖2所示：所述fpga模塊包括兩個多路選擇器、兩個緩存器、一個多位累加器、一個移位寄存器及系統(tǒng)控制單元；所述多路選擇器用以選擇對哪一個sdram存儲器進行讀寫數(shù)據(jù)；所述的緩存器用以緩存數(shù)據(jù)，緩存器1用于緩存所述adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，緩存器2用于緩存從sdram中讀取的數(shù)據(jù)；所述的多位累加器用以對所述緩存器1和所述緩存器2中的數(shù)據(jù)進行累加；所述的移位寄存器用以對所述多位累加器輸出的數(shù)據(jù)進行平均處理。

所述系統(tǒng)控制單元包括控制adc模數(shù)轉(zhuǎn)換、控制數(shù)據(jù)的緩存、控制多路選擇器對sdram進行選擇、控制sdram的讀寫地址、控制緩存器的讀寫地址、控制多位累加器對數(shù)據(jù)進行累加、控制移位寄存器對數(shù)據(jù)進行平均處理。

所述sdram存儲模塊包括兩塊sdram存儲器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲。

所述usb通信模塊用以系統(tǒng)與外界間的通信。

本發(fā)明提供一種基于fpga的sdram的分布式光纖傳感數(shù)據(jù)采集及存儲系統(tǒng)的設(shè)計：

第一步，所述fpga控制單元控制adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對光纖傳感的傳感信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號緩存到第一緩存器當中，同時接收adc模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的反饋信息；

第二步，與步驟一同時進行，所述fpga控制單元控制多路選擇器對所述的sdram存儲模塊進行乒乓讀數(shù)據(jù)，并把讀取的數(shù)據(jù)緩存在第二緩存器當中；

第三步，與步驟一同時進行，所述fpga控制單元控制累加平均模塊同時讀取第一緩存器、第二緩存器當中的數(shù)據(jù)，并進行累加平均算法運算，在累加平均運算的同時對累加平均運算的次數(shù)進行計數(shù)；

第四步，所述fpga控制單元控制多路選擇器選擇sdram存儲器同時往存儲器中寫入步驟三累加平均后的數(shù)據(jù)；

第五步，與步驟四同時進行，若步驟三中累加平均計數(shù)值大于或等于設(shè)計值后同時把累加平均運算后的數(shù)據(jù)輸出到usb通信模塊；

第六步，所述fpga控制單元控制usb模塊對數(shù)據(jù)進行讀寫通信；

經(jīng)過所訴步驟一至六完成了分布式光纖傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲及處理。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述方法實現(xiàn)了分布式光纖傳感數(shù)據(jù)次高速采集和存儲。

本發(fā)明利用了大規(guī)模可編程邏輯器件fpga的靈活性，設(shè)計了基于fpga的adc采集控制，緩存控制，累加平均控制，存儲控制。fpga的高速運行速度，控制adc芯片進行高速數(shù)據(jù)采集，有效解決了分布式光纖傳感系統(tǒng)采集速率低而導(dǎo)致空間分辨率低的問題；使用兩片sdram存儲芯片以乒乓方式進行數(shù)據(jù)存儲，解決了sdram不能同時進行讀寫操作的缺陷；sdram存儲容量大，有效解決了因系統(tǒng)存儲空間不足而影響傳感信號的提取的問題。

以上對本發(fā)明的具體實施方式，并非把本發(fā)明的范圍限制在以上描述的具體實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現(xiàn)。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明范疇之內(nèi)。