专利名称：用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备及其方法
技术领域：
本发明涉及周界安防领域，特别涉及一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备及其方法。
背景技术：
目前，应用于周界报警的安防系统主要包括微波报警系统、主动红外报警系统、泄露电缆周界报警系统、静电感应周界报警系统以及摄像机视频识别系统等。上述传统的周界报警系统应用在长距离条件下的监控时，存在很多问题。例如微波报警系统或主动红外报警系统等监控方式只能适用于视距及平坦区域，受地形的高低、曲折、转弯、折弯等环境因素影响很大，而且它们不适合恶劣气候，易受自然气候影响，准确率也较低。同时由于传感器单元一般是有源的，所以在长距离监测的情况下，难以解决野外供电的问题，传感器单元的寿命也较短，在长时间连续使用的情况下，设备的维护成本也较高。因此，长距离可定位的周界报警系统作为全新的安防设备，具有明显的优势。报警系统分为室外监控光缆和综合处理设备两部分。综合处理设备位于监控室机房内，按功能来划分，可以由光源、光路输出�？�、光电转换电路、模数转换�？�、数字信号处理�？榧氨ň？樽槌�。其工作过程为光源在光源驱动电路的控制下，发出的光经光路输出�？榇砗蠼胧彝饧嗫毓饫拢皇彝饧嗫毓饫路祷氐墓獾酱锕獾缱坏缏分螅Ｊ缓褪中藕糯砟？榻写恚恢蠼蟹治霾⑹侗鸪鋈哦藕牛缓笤俑荻匀哦藕诺姆治鼋峁邢嘤Φ谋ň僮鳌Ｏ钟屑际踔校捎檬忻嫔铣墒斓牟杉ǎ丫Ｊ缓褪中藕糯砟？榇砉氖莶杉焦ひ导扑慊希霉ひ导扑慊写怼Ｕ饫嗖杉üδ艿ヒ唬鼋鐾瓿墒莶杉δ埽挥性ご砉δ堋Ａ硗猓ひ导扑慊聿捎萌砑矸椒ǎ庵址桨傅挠诺闶撬惴ㄒ浦布虻ィ⒛讯冉系停钡闶怯捎谑萘看螅惴ū冉细丛樱苣咽凳笔迪郑嬖谑荻侍�。但是，如果数据处理全部用硬件实现，开发难度大，周期长。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，用以实现实时数据采集和预处理功能，达到实时分析的目的。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，包括同步脉冲发生器、光电�？�、模数转换器、FPGA、第一 DDR存储器、第二 DDR存储器和高性能工业计算机，其特征在于所述同步脉冲发生器分别连接所述光电�？楹虵PGA，所述光电�？榱铀瞿Ｊ黄鳎瞿Ｊ黄髁铀鯢PGA，所述FPGA分别连接所述第一 DDR存储器、第二 DDR存储器和高性能工业计算机。所述同步脉冲发生器，用以产生具有一定重复频率的一定脉宽的同步脉冲信号，用来同步光电�？楹虵PGA (即数据采集控制器)，从而使得系统采集到光电�？椴挠行藕�。所述重复频率可以设置。
所述光电�？椋靡圆す夥⑸浜图す飧缮娼邮�。当所述同步脉冲发生器产生脉冲时，光电�？榉⑸浼す猓苯邮占す飧缮婀猓⒔渥怀傻缧藕攀涑龅侥Ｊ黄鞯氖淙攵耍坏彼鐾铰龀宸⑸鞯穆龀褰崾保獾缒？橥Ｖ狗⑸浼す猓缮婀庠蜓邮币欢问奔浜蠼崾邮笔奔溆胂低程讲饩嗬胗泄亍�
所述模数转换器，其功能是完成模拟电信号到数字电信号的转换。
所述FPGA，其功能是完成数据采集、数据缓存、数据预处理、数据输出等功能。
所述第一 DDR存储器和第二 DDR存储器，其功能是缓存数据。
所述高性能工业计算机，其功能是用于数据处理和分析。
进一步地，FPGA内部设计为由数据采集控制单元、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元、第一 FFT处理单元、第二 FFT处理单元、预处理数据控制单元、FIFO存储器和 PCIE接口控制器组成，所述的数据采集控制单元分别连接同步脉冲发生器、模数转换器、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元和预处理数据控制单元，所述第一存储控制器单元连接所述第一 DDR存储器，所述第二存储控制器单元连接所述第二 DDR存储器，所述预处理数据控制单元分别连接第一 FFT处理单元、第二 FFT处理单元和FIFO存储器，所述FIFO 存储器连接PCIE接口控制器，所述PCIE接口控制器连接高性能工业计算机。
所述数据采集控制单元，其功能是用来控制数据采集流程，切换数据缓存通道、控制数据数据输出通道切换。
所述第一存储器控制单元，其功能是用来对第一 DDR存储器读写控制以及对所述第一 FFT处理单元数据输入控制。
所述第二存储器控制单元，其功能是用来对第二 DDR存储器读写控制以及对所述第二 FFT处理单元数据输入控制。
所述第一 FFT处理单元和第二 FFT处理单元，其功能是对输入数据序列进行FFT 变换。
所述预处理数据控制单元，其功能是控制第一 FFT处理单元和第二 FFT处理单元数据输出流程，使得两个单元的数据能够顺畅的输出而不产生冲突。
所述FIFO存储器，其功能是用来缓存第一 FFT处理单元和第二 FFT处理单元输出的数据，实现数据先进先出的作用。
所述PCIE接口控制器，其功能是实现PCIE总线接口控制。
本发明一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，通过如下步骤实现实时数据的采集和预处理，达到实时分析的目的第一步，同步脉冲发生器产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号；第二步，当同步信号产生时，光电�？榉⑸渎龀寮す猓苯邮盏接行У募す飧缮嫘藕挪⒔渥怀捎行У牡缪剐藕牛坏谌剑Ｊ黄靼训缪剐藕抛怀墒中藕牛坏谒牟剑現PGA采集模数转换器输出的数字信号，并完成缓存(即数据存入第一 DDR存储器或第二 DDR存储器)、数据重排列、FFT变换、最后经PCIE总线输出；第五步，高性能工业计算机接收FPGA经PCIE总线发来的数据，进行后续算法处理和数据分析。
由于本系统数据量大，数据采样率高，为了达到实时信号采集和处理的目的，在上述第四步采用乒乓数据缓存和预处理的方式，其原理为假定系统采集M条长度为N的曲线数据，组成一个MXN的二维数组，即MXN的矩阵；例如，当系统探测长度为50km时，取 MXN=512x50000 ;然后对采集到的MXN 二维数组进行矩阵转置，得到MXN的数组；对转换好的这个二维数组的每一行进行FFT变换，然后进行分析；这样就可以对系统探测距离范围内的每一个位置进行分析。由于系统需要实时采集数据和处理，因此采用乒乓数据采集和处理方式；但矩阵转置和FFT比较耗时，对于计算机这种多任务系统来说，处理能力十分有限；另一方面，矩阵转置和FFT适合流水线处理方式，而FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，因此这部分数据处理采用FPGA来处理比较合适。具体实现过程如下第41步，(I)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000)，并通过第一存储器控制单元把数据存入第一 DDR存储器；(2)对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；(3)当同步脉冲信号产生次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR 存储器已经存储了一个二维数组，包含MXN个数据；这时，对同步脉冲信号产生次数K清零，转入第42步；第42步，并行执行以下功能(1)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000)，并通过第二存储器控制单元把数据存入第二 DDR存储器；(2)第一存储器控制单元从第一DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第一 FFT处理单元；(3)第一FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元;(4)预处理数据控制单元把第一FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器；(5)当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；(6)对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；(7)当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第二 DDR 存储器已经存储了一个二维数组，包含MX N个数据；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一 DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第 43步；第43步，并行执行以下功能(I)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000)，并通过第一存储器控制单元把数据存入第一 DDR存储器；(2)第二存储器控制单元从第二DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第二 FFT处理单元；(3)第二FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元;(4)预处理数据控制单元把第二FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器；(5)当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；
(6)对同步脉冲信号产生的次数k进行计数；
(7)当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一 DDR存储器已经存储了一个二维数组，包含MX N个数据；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二 DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；
第44步，重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。本发明的有益效果在于利用FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术特点，采用乒乓机制对光纤振动测量系统进行数据采集和预处理，有效地解决了系统实时性问题。
图I为本发明结构示意图。
具体实施例方式如附图I所示，一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，包括同步脉冲发生器I、光电�？�2、模数转换器3、FPGA4、第一 DDR存储器5、第二 DDR存储器6和高性能工业计算机7，所述同步脉冲发生器I分别连接所述光电�？�2和FPGA4，所述光电�？�2连接所述模数转换器3，所述模数转换器3连接所述FPGA4，所述FPGA4分别连接所述第一 DDR存储器5、第二 DDR存储器6和高性能工业计算机7。进一步地，FPGA4内部设计为由数据采集控制单元41、第一存储器控制单元42、第二存储器控制单元43、第一 FFT处理单元44、第二 FFT处理单元45、预处理数据控制单元46、FIFO存储器47和PCIE接口控制器48组成，所述的数据采集控制单元41分别连接同步脉冲发生器I、模数转换器3、第一存储器控制单元42、第二存储器控制单元43和预处理数据控制单元46，所述第一存储控制器单元42连接所述第一 DDR存储器5，所述第二存储控制器单元43连接所述第二 DDR存储器6，所述预处理数据控制单元46分别连接第一 FFT处理单元44、第二 FFT处理单元45和FIFO存储器47，所述FIFO存储器47连接PCIE接口控制器48，所述PCIE接口控制器48连接高性能工业计算机7。—种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备的实现方法，其具体实施步骤如下
第一步，同步脉冲发生器I产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号；
第二步，当同步信号产生时，光电�？�2发射脉冲激光，同时接收到有效的激光干涉信号并通过模数转换器3转换成有效的电压信号；
第三步，模数转换器3把电压信号转换成数字信号；
第四步，FPGA 4采集模数转换器3输出的数字信号，并完成缓存、数据重排列、FFT变换、最后经PCIE总线输出；
第五步，高性能工业计算机7接收FPGA 4经PCIE总线发来的数据，进行后续算法处理和数据分析。
上述第四步采用了乒乓数据缓存和预处理方式，其原理如下假定系统采集M条长度为N的曲线数据，组成一个MXN的二维数组，即MXN的矩阵； 例如，系统探测长度为50km时，取MXN=512X50000 ;然后对采集到MXN 二维数组进行矩阵转置，得到NXM的数组；最后对转换好的这个二维数组的每一行进行FFT变换，然后进行分析；这样就可以对系统探测距离范围内的每一个位置进行分析。具体实现过程如下第41步，(I)当FPGA 4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000),并通过第一存储器控制单元42把数据存入第一 DDR 存储器5 ；(2)对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；(3)当同步脉冲信号产生次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一DDR 存储器5已经存储了一个二维数组，包含MXN个数据；这时，对同步脉冲信号产生次数K清零，转入第42步；第42步，并行执行以下功能(1)当FPGA4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000),并通过第二存储器控制单元43把数据存入第二 DDR存储器6 ；(2)第一存储器控制单元42从第一DDR存储器5中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第一 FFT处理单元44 ；(3)第一FFT处理单元44开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元46 ；(4)预处理数据控制单元46把第一FFT处理单元44输出的数据写入FIFO存储器47 ；(5)当探测到FIFO存储器47有数据时，PCIE接口控制器48读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；(6)对同步脉冲信号产生的次数K进行计数；(7)当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第二 DDR 存储器6已经存储了一个二维数组，包含MXN个数据；由于FPGA 4具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一 DDR存储器5中存储的二维数组已经全部被读取并完成 FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机7 ;此时，对同步脉冲信号产生的次数清零； 转入第43步；第43步，并行执行以下功能(1)当FPGA4接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元41开始采集一组数据(数据长度为N，例如N=50，000),并通过第一存储器控制单元42把数据存入第一 DDR存储器5 ；(2)第二存储器控制单元43从第二DDR存储器6中存储的二维数组按列的顺序取数据，每列数据长度为M，共N列；把这些按列取出的数据按顺序送入第二 FFT处理单元45 ；(3)第二FFT处理单元45开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元46 ；(4)预处理数据控制单元46把第二FFT处理单元45输出的数据写入FIFO存储器47 ；(5)当探测到FIFO存储器47有数据时，PCIE接口控制器48读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；(6)对同步脉冲信号产生的次数k进行计数；
(7)当同步脉冲信号产生的次数K达到系统设定的阈值M(如M=512)时，此时，第一 DDR存储器5已经存储了一个二维数组，包含MXN个数据；由于FPGA 4具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二 DDR存储器6中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机7 ;此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；
第44步，重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集；
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明作各种变形，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，包括同步脉冲发生器、光电�？�、模数转换器、FPGA、第一 DDR存储器、第二 DDR存储器和高性能工业计算机，其特征在于所述同步脉冲发生器分别连接所述光电�？楹虵PGA，所述光电模块连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述FPGA，所述FPGA分别连接所述第一 DDR存储器、第二DDR存储器和高性能工业计算机。
2.根据权利要求I所述的用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，其特征在于所述FPGA内部设计为由数据采集控制单元、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元、第一 FFT处理单元、第二 FFT处理单元、预处理数据控制单元、FIFO存储器和PCIE接口控制器组成，所述的数据采集控制单元分别连接同步脉冲发生器、模数转换器、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元和预处理数据控制单元，所述第一存储控制器单元连接所述第一 DDR存储器，所述第二存储控制器单元连接所述第二 DDR存储器，所述预处理数据控制单元分别连接第一 FFT处理单元、第二 FFT处理单元和FIFO存储器，所述FIFO存储器连接PCIE接口控制器，所述PCIE接口控制器连接高性能工业计算机。
3.一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备的实现方法，包括下述步骤 第一步，同步脉冲发生器产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号； 第二步，当同步信号产生时，光电�？榉⑸渎龀寮す猓苯邮盏接行У募す飧缮嫘藕挪⒔渥怀捎行У牡缪剐藕牛� 第三步，模数转换器把电压信号转换成数字信号； 第四步，FPGA采集模数转换器输出的数字信号，并完成缓存(即数据存入第一 DDR存储器或第二 DDR存储器)、数据重排列、FFT变换、最后经PCIE总线输出； 第五步，高性能工业计算机接收FPGA经PCIE总线发来的数据，进行后续算法处理和数据分析。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述第四步采用乒乓数据缓存和预处理的方式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述乒乓数据缓存和预处理的方式实现步骤包括 第41步 (1)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据，并通过第一存储器控制单元把数据存入第一 DDR存储器； (2)对同步脉冲信号产生的次数进行计数； (3)当同步脉冲信号产生次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，这时，对同步脉冲信号产生次数清零，转入第42步； 第42步并行执行下列功能 (1)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据，并通过第二存储器控制单元把数据存入第二 DDR存储器； (2)第一存储器控制单元从第一DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第一 FFT处理单元； (3)第一FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元; (4)预处理数据控制单元把第一FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器； (5)当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机； (6)对同步脉冲信号产生的次数进行计数； (7)当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第二DDR存储器已经存储了一个二维数组；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一 DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第43步； 第43步并行执行下列功能 (1)当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据，并通过第一存储器控制单元把数据存入第一 DDR存储器； (2)第二存储器控制单元从第二DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第二 FFT处理单元； (3)第二FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元; (4)预处理数据控制单元把第二FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器； (5)当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机； (6)对同步脉冲信号产生的次数进行计数； (7)当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二 DDR存储器中存储 二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步； 第44步重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。
全文摘要
本发明公开了一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备及其方法，所述设备包括同步脉冲发生器、光电�？�、模数转换器、FPGA、第一DDR存储器、第二DDR存储器和高性能工业计算机，其特征在于所述同步脉冲发生器分别连接所述光电�？楹虵PGA，所述光电�？榱铀瞿Ｊ黄鳎瞿Ｊ黄髁铀鯢PGA，所述FPGA分别连接所述第一DDR存储器、第二DDR存储器和高性能工业计算机。其优点在于利用FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术特点，采用乒乓机制对光纤振动测量系统进行数据采集和预处理，有效地解决了系统实时性问题。
文档编号G01H9/00GK102980648SQ20121051698
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者黄正 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
