以FPGA和DSP为基础的光纤微振动传感器设计信号采集和算法处理实时系统.docx

以FPGA和DSP为基础的光纤微振动传感器设计信号采集和算法处理实时系统 随着光纤技术的不断发展，光纤微振动（传感器）越来越多地应用于周界安防、石油和天然气管道和通信线路监测等系统中。光纤微振动传感器是利用光纤是传感介质的一种分布式光纤传感系统，其中光纤既是传感介质，又是光传输介质。它可以在传感光纤布设长度内，对一定准确度范围内的突发事件进行远程和实时的监测。国内科研单位先后开展了对于光纤微振动传感器的相关研究工作，取得了一定的成果，实现对振动进行定位并报警，但模／数存在误报警的问题。对振动信号进行模式识别是一种降低误报警率的方法。国内各研究单位对光纤传感器的振动模式识别也开展了一些研究，但都是基于PC端的离线处理，满足不了系统实时性和小型化的要求。本文设计的基于FPGA和（DSP）的光纤微振动传感器数据采集和实时处理系统满足系统对实时性和小型化的要求，能够实现在线对光纤微振动传感器进行数据采集和实时模式识别算法处理。 1系统设计 本文设计的系统对基于双MZ型干涉仪的光纤微振动传感器的信号进行采集和处理，系统功能框架图如图1所示，由光电转换模块、模／数转换模块、FPGA模块和DSP模块组成。光纤微振动传感器的输出信号经光电模块从光信号转换为电信号；然后通过模／数转换模块，把模拟信号转化成数字信号；FPGA模块控制模／数转换模块的（时钟），把数字信号采集入FPGA内的FIFO缓冲器，FIFO的半满信号线和DSP模块相连，会触发DSP的E（DMA）事务，把数据从FIFO转移到DSP的存储器S（DRAM）；并且存储器中的数据长度达到系统设定值时触发DSP的模式识别算法处理函数。 2硬件设计 2．1光电转换和模／数转换 光电转换模块采用SPF1200SF-D08型号的（PI）NFET探测模块。该PINFET工作波长为1000～1650nm，采用正负5V供电。PIN管的反偏高、输出阻抗与FET的高输入阻抗得到很好地匹配，减少了外部干扰和杂散电容，大大降低了热噪声，而且配合采用AD8065的前置放大电路可以很好地匹配A／D转换电路输入电平范围。 模／数转换模块采用（ADI）公司的AD923512b（ADC），其体积小，功耗低，耐高过载。AD9235有3种不同最大采样频率的型号，别是20MS／s，40MS／s，60MS／s。该系统采用的是20MS／s，其采样时钟由FPGA的DCM输出，由专用的差分ADC驱动芯片AD8138将单端信号转换为差分信号作为AD9235的输入。采样时钟和FIFO的写时钟配合，把模／数转换的数据写进FPGA内的FIFO。 2．2DSP模块 DSP模块采用T1公司生产的TMS320C6747型号，时钟频率为300MHz，是浮点、低功耗应用处理器。其中主要功能是完成数据的EDMA转移和算法处理，硬件设计主要包括EMIF接口和EDMA3控制器。 2．2．1EMIF接口 C6747通过它的2个EMIF接口：EMIFA和EMIFB，可连接外部存储器，或其他外设。C6747的EMIFA接口时钟频率可达100MHz，既可接SD（RAM）也可接FLASH。本系统通过EMIFA接口外接1片16MB的NORFLASHS29GL128M，在CE2地址空间内实现代码的存储，配置（寄存器）CE2CFG=0x0484232D；EMIFA接口同时还和FPGA内的FIFO相连，使FPGA内的FIFO空间映射到DSP的CE3地址空间，CS3控制FPGA端的FIFO，CE3CFG=0x0484222D。 C6747的EMIFB接口的时钟频率可达133MHz，只可接SDRAM。本系统通过EMIFB接口外接2片SDRAM芯片IS42S16160B组成64MB的存储器，用于存放实时采集的数据和算法运算过程中的临时数据；配置寄存器之前需先置SDCFG．（TI）MUNLOCK为1，然后才可更改其他寄存器：SDREF=0SDTIM1=0x10912A10；SDTIM2=0SDCFG=0 2．2．2EDMA3控制器 TMS320C6747内的EDMA3控制器是一个高效的数据传输引擎，可在没有（CPU）参与的前提下，完成DSP存储空间内的数据转移，保证CPU核心专注于信号处理算法的运算。 EDMA3传输有3种触发方式：事件触发、连锁触发和CPU触发。本系统设计选择事件触发，FPGA内FIFO的half_full输出信号和DSP的GP4［2］相连，满足条件会自动触发一个EDMA请求，执行对应于参数RAM的数据传输。 EDMA3数据传输的控制通过设置参数RAM来实现。本系统设计设置OPT=0x0010000C。其中TCIN（TE）N位置1，当最后传输事务完成之后会触发DSP系统的EDMA中断；STATIC位置1