??? 摘? 要: 介紹了分布式光纖測溫系統的測溫原理及數據處理的FPGA設計方法。在FPGA設計方法中,提出一種可以提高數據處理精度的處理方法,該方法簡單、容易編程實現。?

??? 關鍵詞: FPGA;分布式光纖測溫系統;多點數字平均器;反斯托克斯; 斯托克斯?

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??? 分布式光纖溫度傳感技術是近年來發展起來的一種新型傳感技術,它利用一根光導纖維作為溫度信息的傳感和傳導介質,可以測量整個光纖長度上的溫度變化。分布式光纖溫度傳感器的信號處理技術,是將探測器輸出的信號盡可能地去除干擾和噪聲,從而得到準確而快速的溫度顯示和溫度數據,這在解決大型重要結構的實時監控、準確測量等問題以及在組成智能材料結構等方面具有重要價值和應用潛力。?

??? 在高速數據采集方面,FPGA有單片機和DSP無法比擬的優勢。FPGA時鐘頻率高、內部時延小、全部控制邏輯由硬件完成。速度快,組成形式靈活,可以集成外圍控制、譯碼和接口電路;最主要的是FPGA可以采用IP內核技術,通過繼承、共享或購買所需的知識產權內核提高開發進度。利用EDA工具進行設計、綜合和驗證,加速了設計過程,降低了開發風險,縮短了開發周期,效率高而且更能適應市場^[1]。?

1 分布式光纖測溫系統的測溫原理?

??? 分布式光纖溫度傳感器是利用光纖中自發拉曼散射的Anti-stokes光強與溫度密切相關(常溫下溫度系數為0.8%)的原理^[2],通過檢測激光脈沖在光纖中傳播時產生的Stokes光信號和Anti-stokes光信號的比值來獲得一根長達數千米的光纖上的溫度信息。采用Anti-stokes光/Stokes光原理的分布式光纖傳感器如圖1。

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??? 根據參考文獻[3],光纖局域處的溫度可由下式得出:?

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其中,h是普郎克常量,c是光速,k是波耳茲曼常數,Δγ是光纖分子振動頻率,T為待測點溫度,T₀為參考溫度;F(T)代表Anti-Stokes和Stokes光的強度比,F(T₀)為Anti-Stokes和Stokes光在參考溫度時的強度比,F(T)和F(T₀)也分別代表T和T0時Anti-Stokes和Stokes光光電轉換后的電壓比。根據式(1)可以計算出待測點的溫度。根據不同采樣時刻的值不同可以測出不同點的溫度。?

2 FPGA的設計?

??? 本FPGA設計采用的軟件是Xilinx ISE 9.1i,因而設計用到的FIFO可直接調用軟件自帶的ip核完成。因此,此設計的主要工作是求T電路、對數運算電路以及數字平均去噪電路。?

2.1 FPGA的工作原理?

??? 為保證每次采樣的數據不丟失,在FPGA上設計兩個FIFO緩存^[4]模塊,分別作為Anti-Stokes光和Stokes光經光電轉換后的A/D轉換器與FPGA的接口。定義三個8位寄存器register1、register2和registerT0,分別用于存放常數(N為方便處理而放大的倍數)和參考溫度T0時Anti-Stokes光和Stokes光光強度比值。從FIFO緩存器讀入的數據讀入數字平均去噪電路,去噪后數據經一除法電路,可求得Anti-Stokes光和Stokes光的光強在待測溫度T時的強度比值,所得結果與registerT0中的數據經除法電路求得比值,送入對數電路,便可求得值,再送入求T模塊便可得到T。然后送入比較模塊,輸出顯示最高溫,并與設定溫度值比較,超過則報警。原理框圖如圖2。?

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2.2 求T電路模塊?

??? 由式(1)得:?

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??? 由于數值很小,所以均放大N倍處理,則:?

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也即由一除法電路來完成。為提高計算精度,這里把式(3)分子再擴大M(2的指數倍)倍,得這樣經過一個二進制除法運算后,將結果MT保存在一寄存器(設為register3)中,然后在將register3中的數右移lnM位,便得到整數部分,并存入另一寄存器中(設為register4);將register4中的數左移lnM位,并用register3中的數減去register4中的數,可得小數部分的二進制數,存入寄存器(設為register5)中。由于FPGA中不能直接處理小數,因此可以將register5中每一位對應的小數乘以一個權值變為整數處理。?

??? 例如:register5位寬為6位,則每一位對應的關系如表1。

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??? 編程時小數的處理就化為整數處理,定義一寄存器變量register6存儲當前被測溫度十進制數對應小數的尾數,則:?

??? Register6=register5[5]*500+register5[4]*250+register5[3]*125+register5[2]*62+register5[1]*31+register5[0]*15?

??? 如:register5=6’b101001,則對應小數在小數存儲器中的值為640,小數顯示為0.640。?

????因而計算所得到的值可精確到小數。進行FPGA設計時,可以把小數和整數結果分別存入兩個不同的存儲器中,而存儲單元的地址可以共享,從而顯示時只要一個地址分別讀出整數和小數。?

2.3 對數運算電路模塊?

??? 常用的對數運算電路模塊的FPGA設計方法有查找表法和基于CORDIC算法的方法。由于基于CORDIC算法^[5][6]的方法對輸入數據的范圍有約束條件,因而此處采用查找表的方法計算對數。根據參考文獻[7],Anti-Stokes光和Stokes光光強度比有如下關系:?

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其中,I_as為Anti-Stokes光光強,I_s為Stokes光光強;λ_s是Stokes光波長,λ_as是Anti-Stokes光波長。已知普朗克常量h=6.63×10-³⁴J·S,波耳茲曼常數k=1.38×10^-23J/K;石英光纖的拉曼偏移波為Δγ=4.4×10⁴m^-1。當入射波長為λ₀=905nm時,可以算出λ_s=942nm,λ_as=870nm^[8]。由于隨溫度的升高拉曼光譜對溫度的靈敏度呈曲線下降^[7],因此把測溫范圍選在-20℃～+100℃,則可以計算得到I_as/I_s的范圍在0.112～0.282內。假設選則的參考溫度T₀=300K,則可以估算出的范圍在0.67～1.70內。如果比值精確到兩位小數計算,即以0.01為步長尋址,則需要在定制ROM時存入104個數據,這104個數據分別對應0.67～1.70的對數值;由于在FPGA中不能直接處理小數,在除法電路中使結果放大100倍處理,則尋址空間變為67～170,步長為1;同樣對應址67～170的數據也需要放大存儲(若保留三位有效數字則放大1000倍存儲)。在ROM核中,其地址是從0開始的,因此在讀ROM時,應設法使地址從0開始;具體做法可以在FPGA中定義一寄存器(regsub)存儲數據67,使計算所得的值在尋址前減去regsub中的數據,則尋址空間變為0～103,對應數據分別為放大了1 000倍的0.67～1.70的對數值,如圖3所示(放大的倍數將在最后求T時縮回)。最后計算的誤差在1℃～2℃。?

2.4 數字去噪電路模塊?

??? 去噪的方法有很多,如取樣積分法、小波分解法、混沌系統的微弱信號檢測、數字平均法等。一般認為,在一個很短的時間內,光纖各測試點的溫度是不變的。所以為便于FPGA的程序實現,采用數字平均法。在數字平均器設計過程中,由于線性累加平均過程的計算存儲數據量較大,占用系統資源多,所以這里采用遞推式平均法^[7],原理如式(5): ?

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??? 是第n個測量激光脈沖在第j個測量點的測量數據的平均值, 是第n-1個測量脈沖第j個測量點的平均值,xnj是第n個測量激光脈沖在第j個測量點的測量數據,n是所發激光脈沖的個數。?

??? 可以看出隨著n值的增大,當|時,起不到修正作用,因此需要將(5)式等式右端兩項分開處理,且需要定義兩個存儲器分別存儲整數(設為ave_reg1)和小數(設為ave_reg2)。可直接存入整數部分存儲器ave_reg1,后面一項將放大處理,再除以n值;若放大L倍(L=2^m)存入寄存器(設為register7)中,將register7中的數與n相除得到數存入寄存器(設為register8)中,然后由register8中的數右移m位得到的數加到ave_reg1修正整數部分; register8的低m位的數值大小用于修正ave_reg2中的數。設ave_reg2每個存儲單元位寬為B(B>m),當ave_reg2中存儲單元的第m+1到B-1位有不為零時,則將ave_reg2中存儲單元B-1到m+1位的數值大小用于修正ave_reg1對應的存儲單元,同時ave_reg2中存儲單元的B-1到m+1位清零。?

??? FPGA程序設計是:假設每個脈沖的測量點數為N,總共發出了S個脈沖。初始時j=0,n=1;當n=1時,數據直接存ave_reg1中,每存一個數據j增加1;當j=N時,n增加1;n≥2時,ave_reg1中相應存儲單元所存的上一次的數據與當前采樣計算的數據共同計算出第n次的平均值,并將結果所得的整數部分和和小數部分分別修正上一次ave_reg1和ave_reg2的上一次的數據。直到S個脈沖采樣計算完成。再將分別存有Anti-Stokes 數據和Stokes 數據存儲器中的數據送入除法電路,計算出每個待測點的Anti-Stokes光強度和Stokes光強度的比值。數字平均去噪電路程序設計原理框圖如圖3。?

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??? 本設計模數轉換時鐘都由FPGA提供,以保證計算的同步性;在求T和平均處理時的小數處理方法簡單,容易實現;基于查找表法的對數運算速度快,適合于實時信號處理。?

??? 遞推式平均法設計的數字平均器占用的系統資源少,如上述S×N個數據只要能存儲2^N個數據的容量就可以了,這也節省了FPGA中自帶的有限存儲單元。不足之處是受存儲位數的限制,當n很大時,修正值將幾乎不起作用。?

參考文獻?

[1] 周勝軍,張志鵬.分布式光纖溫度傳感器準確測量實現[J].測試技術學報,1997,1(4).?

[2] RICHAND M,SENIOR E.Fiber sensots provide kdy for monitoring temperature in compostite materials[M].Laser Focus,1987,23(5):122-127.?

[3] 張步新,陳陽,陳曉竹,等.紅外分布光纖溫度傳感器系統及特性研究[J].光電子·激光,1995,6(8).?

[4] 楊宗凱.數字專用集成電路的設計與驗證.北京:電子工業出版社,2004.?

[5] (美)貝斯著,劉凌譯.數字信號處理的FPGA實現.北京:清華大學出版,2002.?

[6] 牟勝梅,楊曉東.e^θ的CORDIC迭代初值選取策略及其硬件實現[J].計算機工程與應用,2007.?

[7] 常程.基于后向喇曼散射分布式光纖測溫系統溫度解調方法研究[J].航空學報,2001.?