干涉型光纖傳感器系統(tǒng)定位算法優(yōu)化和PCI接口驅(qū)動程序的實現(xiàn)

1、北京郵電大學碩士學位論文干涉型光纖傳感器系統(tǒng)定位算法優(yōu)化和PC接口驅(qū)動程序的實現(xiàn) 姓名：滕其武申請學位級別：碩士專業(yè)：電磁場與微波技術指導教師：林金桐20080306北京郵電大學碩士學位論文干涉型光纖傳感器系統(tǒng)定位算法優(yōu)化和PCI接口驅(qū)動程序的實現(xiàn)光纖傳感器具有抗電磁干擾、精度高、體積小和耐腐蝕等突出優(yōu) 點，特別適用于系統(tǒng)的非破壞式監(jiān)控。本課題研究的是基于干涉結構 的光纖傳感系統(tǒng),用于檢測第三方入侵，對需要保護的區(qū)域進行監(jiān)控。 此研究對干涉型光纖傳感器的實用化具有重要的理論和實際意義。論文首先對干涉型光纖傳感器系統(tǒng)的原理和各個功能模塊進行 了介紹，然后對系統(tǒng)的互相關定位算法進行了優(yōu)化，并設計與

2、實現(xiàn)了 PCI(Peripheral Component Interconnect)接 口驅(qū)動程序。常規(guī)互相關定位關算法的時間復雜度為0("),為了保證系統(tǒng)的 實時性，需要對互相關算法進行優(yōu)化實現(xiàn)。論文利用快速傅立葉變換 將運算從時域變換到頻域進行，然后再將計算結果變換到頻域，從而 將算法的運算時間復雜度降低到蚣心汕。此外，論文完成了算法 的程序?qū)崿F(xiàn)。經(jīng)測試，程序滿足系統(tǒng)的實時性要求。系統(tǒng)由光發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)釆集卡、數(shù)據(jù)處理卡和微機組成。 微機與數(shù)據(jù)處理卡通過PCI接口進行高速數(shù)據(jù)傳輸，接口驅(qū)動程序是 基于WDM模型(Windows Driver Model)<»

3、基于DDK開發(fā)的PCI接口 WDM驅(qū)動程序，在VC+、DriverWorks環(huán)境中編譯，并通過Softlce 進行跟蹤調(diào)試。論文詳細分析了驅(qū)動程序的設計和實現(xiàn)以及調(diào)試過 程，并總結了驅(qū)動程序安裝和開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題。最終經(jīng)測試， PCI接口驅(qū)動程序滿足系統(tǒng)的要求。關鍵詞窗口驅(qū)動程序模型PCI互相關光纖傳感器北京郵電大學碩士學位論文THE OPTIMIZATION OF THE LOCATINGALGORITHM AND THE DEVELOPMENT OF THEPCI DRIVER IN THE FIBRE OPTIC SENSORSYSTEMABSTRACTMore and more a

4、ttentions are focused on the Fibre Optic Sensor because of the advantages of anti-electromagnetic interference, high accuracy, small volume and corrosion resistance. They are especially applicable to be used in supervising large systems without destructivity. The Fibre Optic Sensor system studied in

5、 this paper is based on Mach-Zehnder interferometer, which is used to detect the intrusion, monitor the pipes and roads that need to be protected.The basic principle, configuration and related key technologies of Fibre Optic Sensors are introduced in the first part of this paper. Then the optimizati

6、on of the locating algorithms is discussed and the PCI (Peripheral Component Interconnect) drivers are given.The complexity of the traditional locating algorithm is O(N2). In order to guarantee the real-time operation required by the sensor system, the locating algorithm should be optimized With the

7、 help of the FFT algorithm, the calculation can be transferred from the time domain to the frequency domain. After processed, the result is transferred from the frequency domain to the time domain. The complexity of the locating algorithm is decreased to O(?Vlog2 AQ. Besides, the implementation of t

8、he algorithm is discussed in this paper. The results of the tests show that the program meets the real-time requirement of the system.The sensor system consists of Optical Board Module, Sampling Card Module, Data Processing Card and PC. The high-speed and efficient data transmission between the PC a

9、nd the Data Processing Card is a basic demand. The interface of the PC and the Data Processing Card is PCI, and its driver is based on WDM(Windows Driver Model). A DDK (driver development kit) is used to develop the PCI, which is built under VC plus plus and DriverWoks. The design, implementation an

10、d debug of WDM driver are discussed in detail in this paper.KEY WORDS WDM, PCI, Cross Correlation, Fibre Optic Sensor符號說明CCSCode Composer StudioDDKDriver Development KitDFTDiscrete Fourier TransformationDPCDeferred Procedure CallDSPDigital Signal ProcessorsFDOFunctional Device ObjectFFTFast Fourier

11、TransformationFiDOFilter Device ObjectGUIGraphical User InterfaceIDFTInverseDiscreteFourierTransformI/OInput/OutputIRPI/O Request ParketPCIPeripheral Component InterconnectPDOPhysical Device ObjectVXDVirtual Device DriverWDMWindows Driver Model獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中

12、特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教商機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名： 舔靈試IH期：s戒耳俎 6日關于論文使用授權的說明學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬北京郵電大學。學校有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，芒許學位論文被査閱和借 閱；學校可以公布學位論文的全部或部

13、分內(nèi)容，可以允許采用Rr.嫁印或其它 復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學位論文屬于保密在年解密后適用本投權書。非保密論 文注釋：本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書。本人簽名:導師簽名:H期:"。涼5月仙 h期：&午呻$日北京郵電大學碩士學位論文第一章緒論1.1光纖傳感器概述20世紀70年代以來，在飛速發(fā)展的光纖通信技術的帶動下，光纖傳感器技 術取得了巨大的發(fā)展。光纖傳感器有著自己獨特的優(yōu)點，首先，光纖傳感器具 有抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕的特點，因此可以應用在電磁下擾較強、易燃易 爆等環(huán)境惡劣的地方。其次，光纖傳感器可以測量

14、各種物理量，并且靈敏度較髙。 第三，光纖傳感器的重量輕且可以彎曲，因此可以制成各種外型和尺寸的傳感器。 同時由于光纖成本較低，且可以利用現(xiàn)有的光網(wǎng)絡，所以在長距離分布式傳感系 統(tǒng)方面具有巨大優(yōu)勢。1.1.1光纖傳感器技術的現(xiàn)狀美國海軍研究所（NRL） 1977年開始執(zhí)行FOSS（光纖傳感器系統(tǒng)）計劃，從 此以后許多國家對光纖傳感器進行了大量的研究.美國對光纖傳感器的研究最 早，投資最大，僅1983年就投入1214億美元，主要的研究機構有美國海軍研 究所、國家宇航局（NASA）、西屋電器公司、斯坦福大學等，主要研究方向有6 個；光纖傳感器系統(tǒng)（FOSS）、現(xiàn)代數(shù)寧光纖控制系統(tǒng)（ADOSS）、光纖

15、陀螺 （FOG）、核輻射監(jiān)控（NRMX飛機發(fā)動機監(jiān)控（AEM）、民用研究計劃（CRP）. 日本在20世紀80年代制定了“光應用計劃控制系統(tǒng)T年規(guī)劃，投資達70億美 元，規(guī)劃的主要目標是解決強電磁干擾和易燃、易爆等惡劣條件下的信息測量、 傳輸和全過程控制問題，主要的研究機構有松下、三菱、東京大學等。英國的標 準電訊公司、牛津大學、南安普頓大學、法國的湯姆遜公司、德國的西門子公司 等公司和大學也對光纖傳感器投入了大量經(jīng)費進行研究.隨著技術的進步、工藝水平的提高和計算機技術在光纖傳感器系統(tǒng)中的應 用，光纖傳感器的可靠性不斷提高。光纖傳感器正逐步從實驗室走入市場。目前， 美國、西歐和日本已經(jīng)開發(fā)出了許

16、多光纖傳感器產(chǎn)品，例如澳大利亞FFT（Future Fibre Technologies）公司的用于邊界監(jiān)測的Secure Fence系統(tǒng)、英國Sensa公司 的用于測量光纖沿線溫度變化的光纖線性測溫系統(tǒng)、美國MOI （MICRON OPTICS INC.）公司的基于OTDR技術的分布式傳感器系統(tǒng)等。光纖傳感器自身的優(yōu)點和技術的成熟使其在軍用和民用領域都得到廣泛應 用，具有很大的市場需求。首先在民用方面，從電力系統(tǒng)、水利工程、石油礦井、 化學工程等大型工程到環(huán)境檢測、食品安全檢測、醫(yī)學檢測等生活相關的行業(yè)， 光纖傳感器的應用幾乎涵蓋國民經(jīng)濟中所有領域，應用范圍極其廣泛。其次，在 北京郵電大學碩

17、七學位論文軍用方面，光纖傳感器的應用也很廣泛，主要產(chǎn)品有光纖陀螺、光纖水聽器、光 纖壓力傳感器，光纖傳感定位系統(tǒng)等。如今傳感器新技術的發(fā)展方向為：開發(fā)新型傳感材料、開發(fā)多用途傳感器、 分布式傳感器靈敏度的提高和成本的降低、傳感器的智能化等。我國在1983年召開了光纖傳感器的第一次全國會議。目前國內(nèi)光纖傳感器的 主要研究工作在高校和研究所進行，他們在光纖溫度傳感器、壓力傳感、流量、 電壓、位移、振動、光纖陀螺等領域進行了大量的研究，取得了上百項成果，不 過由于基礎薄弱、工藝水平低和相關技術的落后，我國的光纖傳感器技術與這些 發(fā)達國家用比有較大的差距，且商業(yè)化水平不高。因此，我們應該加大對光纖傳

18、感器技術研究、開發(fā)的投入，縮短我國光纖傳感器技術與外國的差距，促進我國 儀器儀表工業(yè)和光纖傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.1.2光纖傳感器的分類目前光纖傳感器大致上可分成傳光型光纖傳感器和傳感型光纖傳感器兩大 類。1）傳光型光纖傳感器：這種傳感器系統(tǒng)中，傳感器位于光纖端部，光纖只 是作為信號的傳輸線.光纖的導入使得實現(xiàn)探針化的遙測提供了可能 性。這種光纖傳輸?shù)膫鞲衅鬟m用范圍廣，使用簡便，但是精度比傳感型 光纖傳感器稍低2）傳感型光纖傳感器：光纖自身直接接收外界的被測量。外界的被測物理 量能夠引起傳感臂的長度、折射率、直徑等參數(shù)的變化，使得光纖內(nèi)傳 輸?shù)墓庑盘栐谡穹⑾辔?、頻率、偏振等方面發(fā)生變化，從而可

19、以檢測 岀外部物理量的變化。從被測量對光的調(diào)制方法來說，光纖傳感器可分為振幅傳感器、相位傳感器、 頻率傳感器和光纖偏振式傳感器四大類。傳統(tǒng)的傳感器一般監(jiān)測范圍有限、成本高、安裝比較復雜，對于需要長距離 監(jiān)測的區(qū)域，傳統(tǒng)的傳感器就會有很大的局限性。同時，系統(tǒng)的成本將會會很高, 且不易于實現(xiàn)。而分布式干涉型光纖傳感器正可以解決這個問題。它是屬于傳感 型光纖傳感器一種。它的的干涉借可以分布在需要監(jiān)測的區(qū)域，測量臂傳輸?shù)墓?與參考臂的參考光互相干涉，使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，這個變化可 以檢測岀來，從而用來可以得到相關的信息。此外，這種分布式干涉型傳感器還 具有高靈敏度和低成本的優(yōu)點。1.2

20、干涉型光纖傳感器的原理對光干涉進行測量的儀器很多，通常采用的干涉儀主要有四種：邁克爾遜干 涉儀、馬赫一澤德干涉儀、塞格納克干涉儀和法布里一珀羅干涉儀。光學干涉儀的共冋特點是它們的相干光在空氣中傳播，由干空氣受壞境溫度 變化的影響，引起空氣的折射振動及聲波干擾。這種影響都會導致空氣光程的變 化，從而引起干涉測雖工作的不穩(wěn)定，以致準確度降低。若利用單模光纖作干涉 儀的光路，就可以排除上述影響.并可以克服光路加長時對相干長度的嚴格限制, 從而可以制造出千米量級光路長度的光纖干涉儀。在這些干涉儀中是以光纖作為 相位調(diào)制元件（傳感器），被測物理量作用于光纖傳感器，導致其光纖中光相位的 變化或光的相位調(diào)制

21、，再用干涉技術把相位變化變換為振幅變化，從而還原所檢 測的物理量。論文研究的分布式干涉型傳感器正是這種利用單模光纖作為干涉臂的馬赫. 澤徳干涉儀結構來檢測信號的變化。其系統(tǒng)結構如圖11所示：圖1-1中左側(cè)部分為系統(tǒng)的光發(fā)射接收模塊，主要包括激光器、PIN和耦合 器；右側(cè)部分為系統(tǒng)的傳感監(jiān)測部分，主要包括傳感光纖Fiberk Fiber2和引導 光纖Fiber3,其中Fiberl和Fiber2長度相等。在實際的系統(tǒng)中，F(xiàn)iberk Fiber2和Fiber3是放在同一根光纜中，這三根光 纖的長度相等。光的發(fā)射接收模塊處于同一塊板卡上。激光器LD發(fā)出的光經(jīng)耦合器C1分為a、b兩束；b束光經(jīng)耦合器C

22、2分為 兩束光分別在Fiberl、Fiber2中傳輸，然后經(jīng)耦合器C4干涉后由Fiber3傳送到 PIN1處進行光電轉(zhuǎn)換：a束光經(jīng)過耦合器C3和Fiber3傳輸，由耦合器C4分為 兩束光并在耦合器C2處干涉，最終在PIN2進行光電轉(zhuǎn)換。當傳感光纖Fiberl、Fiber2受到外力作用時時，光纖會發(fā)生形變，對信道中 的信號起到相位調(diào)制作用。a、b兩束光除了傳輸?shù)姆较虿煌?，其它的條件都 相同，理想狀況下PIN1和PIN2接收到的信號的差別廠二:：信號可 表示為：嚴）5）（山）$2（/） = S（Io）其中®為兩路信號的時延差。如圖1-1所示，假設Fiberl、Fiber2和Fiber3的

23、長度為L,外力作用的位置 距PIN2為X,則該位置距PIN1為2*L-Xo設時延差為AT,信號在光纖中的傳 輸速度為vO。則(1-2)此時，則有:(1-3)v L-Ar*vOX =由式（1 -3）式可知，只要求出時延差，就可以得到外力發(fā)生的位置。系統(tǒng)就是基于以上原理來進行定位監(jiān)測的。為了計算出時延，系統(tǒng)使用互相 關函數(shù)分析法對信號進行分析?；ハ嚓P函數(shù)分析法是分析求取兩個信號之間的時 的一個重要的方法。對于連續(xù)實信號來說，兩個函數(shù)的互相關函數(shù)為：%2（門=匸 $|（/）$2« + r 妙（14）對于離散信號，則為：k.N&2何二工®仗禹仗+加）（1乃）A=O根據(jù)相關函

24、數(shù)取峰值時偏移fik或n值，可得到兩路信號的時延差A/,根據(jù) 式（1-3）可得到外力作用的位置信息，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的定位功能。1-3論文的主要內(nèi)容論文介紹了光纖傳感器系統(tǒng)的基本原理和結構，并根據(jù)系統(tǒng)要求對系統(tǒng)的軟 件子系統(tǒng)進行了設計，實現(xiàn)了軟件子系統(tǒng)的底層驅(qū)動模塊和算法模塊。論文第一章對光纖傳感器做一般性的介紹，并對干涉型光纖傳感器的原理進 行了描述.論文第二章對光纖傳感器系統(tǒng)結構框圖進行了介紹，并根據(jù)系統(tǒng)的要 求和特點設計了相應的軟件子系統(tǒng)。論文第三章對光纖傳感器系統(tǒng)中的核心算法 -互相關算法進行了介紹，并根鋸系統(tǒng)信號的特點進丁優(yōu)化和實現(xiàn)。論文第四章 討論了 PCI驅(qū)動程序的設計和實現(xiàn)，并總結

25、了內(nèi)核調(diào)試經(jīng)驗。論文第五章對論文 的工作進行了總結。第二章光纖傳感器系統(tǒng)框架的研究光纖傳感器實驗系統(tǒng)由光發(fā)射接收模塊、傳感光纖、數(shù)據(jù)采集卡、DSP數(shù)據(jù) 處理卡和微機組成。系統(tǒng)框圖如圖21所示：圖2-1系統(tǒng)框圖本章將結合實際的實驗系統(tǒng)分別對圖2-1中個模塊的功能和具體實現(xiàn)進行 簡要的介紹。2.1光發(fā)射接收模塊和傳感光纖光發(fā)射接收模塊包括光發(fā)射和光接收兩個部分。光發(fā)射部分電路負貪給激光 器加電，產(chǎn)生激光信號，經(jīng)過光纖連接器傳入傳感光纖。同時，光接收部分負責 接收經(jīng)過傳感光纖得到的干涉信號，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的電信號通過同軸 電纜接入采集卡的兩個通道中.在電路設計中，激光器需要進行溫度控制，以使

26、激光波長和功率保持穩(wěn)定。 光發(fā)射接收模塊還需具有偏振檢測和控制功能，以確保信道中傳輸?shù)墓庑盘柶?狀態(tài)的保持穩(wěn)定狀態(tài)。在實際的系統(tǒng)中，光板實現(xiàn)了光發(fā)射接收模塊功能，即光板既具有光發(fā)射功 能又具有光接收功能.2.2數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡將光發(fā)射接收模塊經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到的模擬電信號進行離散化 處理，得到離散信號，并通過PCI接口將離散信號傳往微機平臺；同時，微機平 臺也可一通過PCI接口向數(shù)據(jù)采集卡傳輸控制信號，用于設賈數(shù)據(jù)采集卡的采樣 速率、采樣幀長度、量化電平等一些列參數(shù)。數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率對系統(tǒng)的定位精度有直接的影響。由式可得，系統(tǒng)的 定位精度與采集卡的采樣速率成正比例關系，采樣速率越島，系

27、統(tǒng)的定位將度越 高。但是由于系統(tǒng)的實時性要求比較髙，系統(tǒng)采集來的數(shù)據(jù)必須要在一特定的時 間內(nèi)處理完畢，所以采樣速率的設置需綜合考慮系統(tǒng)的定位精度和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處 理能力，平衡二者之間關系，以期利用有限的資源獲得一個最優(yōu)設置的系統(tǒng)。23 DSP數(shù)據(jù)處理卡DSP芯片作為數(shù)字處理的專用處理器，在數(shù)字信號處理方面具有獨特的優(yōu) 勢。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結構，具有專門的硬件乘法 器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，因此可以快速地實現(xiàn)各種數(shù) 字信號處理算法。系統(tǒng)的DSP數(shù)據(jù)處理卡使用的芯片是TI公司的TMS320C6416. TMS320C6416是TI公司在TMS32OC6

28、OOO系列DSP平臺上開發(fā)和生產(chǎn)的新一代 定點型數(shù)字信號處理器。它采用了彼州儀器(TI)開發(fā)的第二代高性能、改進型 VelociTI超長指令字組(VLIW)結構(VelocTI.2), VLIW結構的采用使得該芯 片成為了多通道、多任務應用的極佳選擇。當工作在600 MHz的時鐘頻率下時, C6416的執(zhí)行速度可以達到每秒鐘執(zhí)行48億個指令。此外，C6416還具有高速控制器的操作柔性和隊列處理器的數(shù)字能力. C64XX系列DSP核心處理器由64個32位字長通用寄存器和8個高獨立性的功 能單 一2個結果是32位的乘法器和6個具有VelociTI.2擴展的算術邏輯單元 (ALUS). C6416在

29、一個指令周期內(nèi)可以執(zhí)行兩次32位的乘.加運算(2MACs), 一秒鐘內(nèi)總共可以執(zhí)疔12億次32位乘.加運算(1200MMACS)或48億次8位 乘加運算(4800MMACS)。因此，這是一款在對DSP運算能力要求較商的應用場合下的高性價比的解 決方案。結合系統(tǒng)的需求和芯片的處理能力，DSP數(shù)據(jù)采集卡選取TMS320C64I6 作為數(shù)字信號處理芯片.2.4微機平臺微機平臺作為系統(tǒng)的樞紐，如圖21所示，通過接口與光發(fā)射接收模塊、數(shù) 據(jù)采集卡和DSP數(shù)抵處理卡進行通信。同時，微機平臺還對離散信號進行處理, 并將處埋的結果通過界面顯示給用戶。微機平臺的功能是通過光纖傳感器系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)的。光纖傳

30、感器系 統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)作為光纖傳感器系統(tǒng)的核心組成，對實現(xiàn)系統(tǒng)的指標要求如實時 性、定位結果的準確性等具有重要的影響。根據(jù)論文研究的傳感器系統(tǒng)的框架結構和功能需求，軟件子系統(tǒng)的框架結構 設計如圖22所示：圖22軟件子系統(tǒng)的框架結構圖軟件子系統(tǒng)共包括三個模塊:用戶界面模塊、信號處理模塊和板卡接口模塊。 以下內(nèi)容將詳細討論各個模塊的功能和結構組成。2.4.1用戶接口模塊用戶接口模塊提供了用戶和系統(tǒng)交互的功能，具體的實現(xiàn)形式為GUI程序。 GUI程序提供給用戶的功能主要是監(jiān)測和設置功能。根據(jù)光纖傳感器系統(tǒng)的特點 和功能，GUI程序的監(jiān)測功能設計為如下幾個部分：1）監(jiān)測整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如系統(tǒng)的各個

31、組件是否工作正常，系統(tǒng)運 行時間等信息。2）監(jiān)測入侵事件。當有非法入侵事件發(fā)生時，GUI程序必須能夠以顯著的 方式根抵事件的嚴重程度來提醒用戶，如警報聲等。此外，GUI程序還 必須有日志功能，用于記載事件的詳細信息。3）板卡工作的詳細狀態(tài)。7北京郵電大學碩七學位論文由于光纖傳感器系統(tǒng)的應用場合比較廣，所以系統(tǒng)應該能夠根據(jù)環(huán)境的不同 來設置相應的硬件參數(shù)。此外，隨之時間的推移，器件會發(fā)生老化，系統(tǒng)需要根 據(jù)具體的情況做相應的調(diào)整。GUI程序的設置功能就是為了滿足上述要求而設計的。GUI程序的設置功能 涉及到以下幾部分：1）光板，即光發(fā)射接收模塊。光板的參數(shù)主要為激光電流2）數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡

32、的參數(shù)設置包括采樣率、量化電平、采樣幀長 等。除了要滿足上述的監(jiān)測和設置功能外，GUI程序的設計還需要考慮到界面設 計的一些基本原則，如內(nèi)容清楚、指示明白、版面美觀、有親切感，其交互操作 過程符合人性化要求。2. 4.2板卡接口模塊微機平臺與光發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)采集卡和DSP數(shù)據(jù)處理卡通過不同的接口 進行通信。軟件子系統(tǒng)的程序在與這些板卡交互時需要處理不同的接口，在程序 設計時會顯得繁雜。板卡接口模塊就是為了解決上述問題而設計的。板卡接口模塊將涉及硬件接 口部分操作集中到一起，然后再向上層模塊提供統(tǒng)一固定的接口。這樣當?shù)讓拥?硬件發(fā)生變動時，只需改變涉及硬件操作的部分，而上層應用程序則無需改變

33、， 這樣的設計符合軟件工程的要求。如圖21系統(tǒng)框圖所示，光纖傳感器系統(tǒng)有三個外部模塊需要與微機平臺進 行通信。相應地，板卡接口模塊包含三部分，分別用于操作實現(xiàn)這三個模塊的硬 件板卡，具體內(nèi)容如下所示：1）光板，即光發(fā)射接收模塊。微機平臺與光板之間的通信是通過串口來進行的。微機平臺從光板得到 激光器的運行狀態(tài)信息，并可以向光板發(fā)送用戶的控制信息。因此，板 卡接口模塊可將微機平臺與光板之間的操作抽象為四個，即初始化接口 操作、關閉接口操作、接收數(shù)據(jù)操作和發(fā)送數(shù)據(jù)操作。這樣，上層應用 程序只需使用這四個操作，即可完成與光板的通信。2）數(shù)據(jù)采集卡微機平臺與數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口進行通信。不冋采集卡的

34、具體操作 會有一些不同，但它們的工作流程一致。因此，根據(jù)采集卡的工作流程, 板卡接口模塊可以將采集卡的相關操作抽象成標準的操作，即打開硬件 操作、設置硬件操作、啟動采集操作、判斷每幀采集結果操作、停止采 集操作和關閉硬件操作。上層應用程序使用這些標準操作接口，就可以 完成對采集卡的操作使用，同時也無需隨著采集板卡的更換而改變。3) DSP數(shù)據(jù)處理卡微機平臺與DSP數(shù)據(jù)處理卡之問也是通過PCI接口進行通信的。在本項 目中，DSP數(shù)據(jù)處理卡的驅(qū)動程序是由本項目組開發(fā)的，詳細細節(jié)將會 在第四章進行討論。與數(shù)據(jù)采集卡類似，板卡接口模塊需要對DSP數(shù)據(jù) 處理卡的操作抽象成標準的操作。這些標準操作為：打開

35、硬件操作、發(fā) 送數(shù)據(jù)操作、接收數(shù)據(jù)操作和關閉硬件操作。2. 4. 3信號處理模塊信號處理模塊是軟件子系統(tǒng)的核心.它從板卡接口模塊得到離散信號，并對 離散信號進行分析和處理，最終得到定位結果，并將定位結果傳給用戶接口模塊。信號處理模塊對離散信號的處理流程如圖2-3所示：圖2-3信號處理流程圖信號處理模塊從板卡接口模塊取得離散信號后，首先對該離散信號進行模式 匹配處理，根據(jù)模式匹配處理的結果可初步判斷是否有事件發(fā)生。如果沒有事件 發(fā)生，此次運算結束；如果有事件發(fā)生，則對離散信號使用定位算法進一步處理, 得到事件發(fā)生的位置，并將定位結果傳給用戶接口模塊以便顯示。9北京郵電大學碩七學位論文模式匹配算法

36、將從板卡接口模塊得到的離散信號與典型的模板信號（此模板 信號是在實驗中采集的）進行匹配，算法將根據(jù)匹配的結果得出不同的結論。該 結論為后續(xù)的信號處理提供依據(jù)。模式匹配算法的引入主要有兩個作用：1）判斷事件是否發(fā)生，減少計算冗余。當沒有事件發(fā)生時，信號處理模塊 將結束對信號再做進一步的分析，減少了系統(tǒng)的計算呈.2）當有事件發(fā)生時，可以根據(jù)模式匹配結果來判斷入侵事件的類型。這樣 系統(tǒng)不僅可以得到事件發(fā)生的地點信息，還可以得到發(fā)生事件的類型信 息，豐富了傳感器系統(tǒng)的功能。定位算法對離散信號進行分析和處理，得到定位結果信息，其具體的細節(jié)將 會在第三章被詳細討論。按照圖2T系統(tǒng)框圖的設計，信號處理模塊將

37、會放在DSP數(shù)據(jù)處理卡上。在 實際的項目研究中，由于數(shù)據(jù)處理模塊和DSP數(shù)據(jù)處理卡處于并行開發(fā)，所以數(shù) 據(jù)處理模塊只能先放在微機平臺上，先對系統(tǒng)的設計和功能進行驗證，然后再將 數(shù)據(jù)處理模塊移植到DSP數(shù)據(jù)處理板卡。II北京郵電大學碩七學位論文第三章互相關算法的優(yōu)化與實現(xiàn)第二章討論的算法處理模塊中的定位算法采用的是基于互相關函數(shù)分析的 互相關算法。系統(tǒng)的基本定位原理在第一章介紹干涉型傳感器原理時有一個簡要 描述，本章將對其進行詳細討論。本章首先對互相關算法理論基礎進行介紹，然 后結合系統(tǒng)的需要詳細討論互相關算法的優(yōu)化和實現(xiàn)。3.1互相關技術介紹回在信號處理中經(jīng)常要研究兩個信號的相似性，或一個信號

38、經(jīng)過一段時間延遲 后與自己的相似性，以實現(xiàn)信號的檢測、識別和提取.互相關技術正是研究信號 相關性的一種常見技術，它借助互相關函數(shù)來分析兩路信號的相關性從而獲得信 號中隱藏的信息的技術.在測量技術中，互相關技術得到了非常廣泛的應用.首先介紹互相關函數(shù)的定義.本論文研究的系統(tǒng)只涉及確定信號的處理，因 此本節(jié)只討論確定信號的互相關函數(shù)。設班町和刃”）是兩能量有限的確定性信號，定義£ x（n）y（n + m）（3T）為信號x（”）和刃”）的互相關函數(shù)。當雙“）和丁5）為實信號時，（3-1）式的 定義可改為：Z n）y（n + m）（3-2）互相關技術利用互相關函數(shù)來對信號進行分析處理，使用時

39、包括有兩個步 驟：1）求出兩路信號的互相關函數(shù)2）根據(jù)兩路信號的互相關函數(shù)來進行分析。當互相關函數(shù)取峰值時，兩路 信號的相關性最強。使用互相關技術來測最兩路信號之間的時延時，就是取互相關函數(shù)峰值時變 量的值。論文研究的光纖傳感器系統(tǒng)就是利用互相關技術來計算兩路信號的時 延，從而獲得準確的定位信息。3.2互相關算法的優(yōu)化互相關技術分析信號有一個是計算兩路信號的一 個是求取互相關函數(shù)取" 呈。相應地，互相關算法也包括兩個部分， 一個用于計算互相關函數(shù)，一個用于計算互相關函數(shù)取峰值時的變量值。由式(3-2)可知，在時域直接計算兩路長度為N點的離散信號的時間復雜 度為0("2)。而

40、求互相關函數(shù)取峰值是一個線性査詢過程，時間復雜度為 0(N) 因此，整個互相關算法的時間復雜度取決于互相關函數(shù)的時間復雜度.由于系統(tǒng)硬件計算能力有限，而系統(tǒng)實對時性的要求由比較高，因此必須要 對互相關算法進行優(yōu)化，使之時間復朵度滿足系統(tǒng)的實時性要求。以下內(nèi)容將對 算法的優(yōu)化實現(xiàn)進行詳細的討論。在離散信號處理領域，由于快速傅立葉變換FFT算法的發(fā)明，離散信號進行 時頻域變換所需的時間復雜度大大降低。因此，當離散信號在時域進行處理的 復雜度比較髙時，常將信號從時域變換到頻域來進行處理，處理完畢后再將處理 結果變換到時域。利用FFT算法實現(xiàn)離散信號的時.頻域變換，這樣會大大降低 信號處理的運算復雜度

41、。3.2.1快速相關同在時域，計算互相關函數(shù)的時間復雜度為O(N2)。因此可以考虎借助數(shù)字信 號處理的相關知識來進行處理域變換來降低運算的復雜度。在數(shù)字信號處理理論 中，這種方法叫做快速相關。快速相關是利用圓周相關來代替線性相關，具體內(nèi) 容如下所述。設X.00與冷何是長度為N (N = 2，7為正整數(shù))的兩離散序列，則兩序 列的互相關函數(shù)為：心何=工州 5 +( 3-3 )對于兩離散實序列來說，則有：巾(力)=工斗 5 + m)x2 (m)(3-4)m=0(3-5a)利用FFT法求線性相關是圓周相關代替線性相關.選擇N = 2N,令X1W= 0,bII北京郵電大學碩七學位論文(3-5b)x2(

42、n)<0, NSSN- 其計算步驟如下：1) 求 N 點 FFT, X ,(i) = DFTx1(n)2) 求 N 點 FFT, X(k) = DFTx2(nW3) 求乘積，呂.2仗)=才")才*2伙)；對于兩實序列，&2(燈=兀仗)才2仗)4) 求 N 點 IFFT, g(”) = ZDF7IA.2(切FFT運算的時間復雜度為O(ylog2 N),快速相關運算經(jīng)過三次FFT運算和 一次運算復雜度為0(N)的運算，所以其時間復雜度為O(ylog2AQ,與O(N2)相 比，有了大幅下降。在實際的系統(tǒng)中，兩路接收到的信號均為實信號序列。由快速相關運算的計 算步驟可知，需要分

43、別對兩實序列進行傅立葉變換。根據(jù)離散傅立葉變換的性質(zhì), 若一序列為實序列或純虛序列，在時域向頻域變換時，只需計算頻域一半的點數(shù) 就可根據(jù)對稱性求出另一半的點數(shù)。因此，對于本系統(tǒng)來說，快速相關運算還可 以進一步優(yōu)化。設x(“)與丁(”)是長度為N QN = P , y為正整數(shù))的兩離散實序列，取 z(n) = x(n)+/y(n),令：X(k) = DFTx(w), X(i) = DFTj(n), Z(k) = DFTz(n)(3-6)根據(jù)離散傅立葉變換的線性特性，則有：Z(k) = X(k)+JY(k)(3-7)根據(jù)離散傅立葉變換的共牠對稱特性，有：若x(“)是實序列，伙)只有圓周共轆對稱分量

44、，即滿足X(k) = X(N-k)NRN(k)(3-8) 若x(”)是純虛序列，X(k)只有圓周共轆反對稱分量，即滿足=鳳(3-9)(3-10)對于z(“)中雙町和刃“)來說，則有：X(燈=疋("-切)"心(燈13北京郵電人學碩士學位論文(燈= -(“")“心(燈廣 因此：= X(k)-jY(k)所以可得：x(k= Z 仇)+ N(N-燈)冰、,(約2Y(k = z(約-Z(N-町人心(燈2j 因此：Rx,y(k)X(k)Y(k)Z2(燈 _Z(N ")“&(燈24j(3-11)(3-12)(3-13)(3-14)(3-15)N經(jīng)過以上優(yōu)化，實現(xiàn)

45、快速相關需進行兩次時間復雜度為O(ylog2 N)的FFT 運算、兩次時間復雜度為0(N)的復數(shù)乘法運算和一次時間復雜度為O(N)比較 運算與直接在時域進行計算的時間篦雜度為0冋相比.有了很大提高。對于 快速相關來說，F(xiàn)FT運算是其主要開銷。因此，選擇合適的FFT算法實現(xiàn)對降 低互相關算法的運算復雜度具有重要的意義。3. 2. 2分裂基FFT算法閽根據(jù)目前數(shù)字信號處理領域的研究，分裂基FFT算法(又稱基2/4 FFT算法) 是針對點數(shù)為N = 2,(卩為正整數(shù))序列的最好FFT算法。與其它形式的FFT 算法相比較，它具有最少的乘法次數(shù)和加法次數(shù)，且能保持同址運算結構。分裂基FFT的基本推導如下

46、所示.對N點序列x(n),其DFT變換定義為：V-I2£x(斤)=工雙刀)吟kH,N-W =e v“(3-16)1 NJb N g當N = P (y為正整數(shù))，將x(”)按序號分為上、下兩部分，得:北京郵電大學碩七學位論文N/2-lN-1X(燈二 £ x(")呼 + £ x(”)吟n»0”NI2AT/2-1AT/2-!=工 x(n)W + 工 x(n七NI2)W：W畀(3-17a)n=0”0JV/2-!=工(x(«)亠如N/2)砒1坨n»0當N = V (/為正整數(shù)人將班“)按序號分為四個兩部分，得：y/4-lN/2-13M

47、41NT(3-17b)x(k)= £心脇+ £心)硝+ Z心席+ E心)硝i!-0”M2FW/4書腳)+如#)吟"+如#)呼$+如乎)鏟”N對X（肋的偶序號輸出項來說，取i = 2r （其中r = 0,l,w>-l）>根據(jù)式 2Af/2-l£ x(n) + x(n +”0（3-17a）,有：(3-18a)對X伙）的奇序號輸出項來說.分別?。﹖ = 4r+l, Jt = 4r + 3 （其中 r = 0J“f-1），根據(jù)式（3-17b）則有：4±rlNN、N（4r+l）= S （心）-x（”+¥）T（x（“ + ¥

48、）7（”+¥）%（3-18b）NN畑+» z （如如訐如百）階(3-18c)15北京郵電大學碩七學位論文#北京郵電大學碩七學位論文（3-18a）、（3-18b）和（3-18c）三式構成了分裂基算法的L型算法結構，如圖 所示：X(2r)X(4r+1)X(4r+3)圖31分裂基算法示意圖#北京郵電大學碩七學位論文根據(jù)圖3"所示，X(2r). X(4r + 1)和X(4"3)繼續(xù)按照分裂基算法結構 分裂下去，直至分裂至2點和4點DFT為止。分裂基FFT算法包含兩類操作,一類是實數(shù)乘法操作，一類是實數(shù)加法操作。 設N為信號序列的點數(shù)，MToE為實數(shù)乘法次數(shù)，有：

49、對于N = H (卩為正整數(shù)人分裂基算法的提出已經(jīng)使FFT算法進入了自己 的成熟期，很難再加以改進以使乘法量進一步減少。3.3互相算法的程序?qū)崿F(xiàn)和優(yōu)化32節(jié)討論了互相關算法在理論上的優(yōu)化，本節(jié)將在上節(jié)基礎上討論互相關 算法的程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)對實時性的要求比較高，因此在考慮算法程序?qū)崿F(xiàn)時，不 僅要完成其程序，還要盡可能使程序適合其運行的定軟件和硬件平臺。3.3.1互相關算法的程序?qū)崿F(xiàn)快速相關運算包含三個部分，以下內(nèi)容將分別討論這三個部分的程序?qū)崿F(xiàn)。1.分裂基FFT算法程序?qū)崿F(xiàn)圖3-1算法示意圖對于深入了解分裂基算法顯得有點粗陋。為了更好地理解 分裂基算法，現(xiàn)以y = 16為例進行分析，其算法信號流

50、圖如圖3-2所示：圖3-2 16點序列分裂基算法信號流圖17北京郵電大學碩士學位論文如圖32所示，每個框為為分裂基算法的一級運算。經(jīng)過一級運算，16點序 列運算分裂為上半部分的一個8點序列和下半部分兩個4點序列的DFT運算。8 點序列DFT運算繼續(xù)分裂，得到一個4點序列和兩個2點序列的DFT運算。當序 列的點數(shù)小于等于4點時，序列不再分裂，直接求出DFT結果。根據(jù)以上16點序列的分裂基算法流程分析可知，要程序?qū)崿F(xiàn)分裂計算法主 要需關注兩個方面的內(nèi)容：1) 計算功能模塊包括分裂基算法的一級運算、2點和4點DFT運算，由圖3-2可知運算須知道序列的長度和第一個點的位置。2) 流程控制分裂基算法一個

51、N點序列分裂為一個上半部分的N/2點序列和下半部分兩個N/4點序列，上下部分的運算步長不一致，經(jīng)過多級 分裂后，會出現(xiàn)這樣一種情況：序列的前部分還可以繼續(xù)分裂，但后部 分已經(jīng)分裂至2或4點的序列，無法再繼續(xù)分裂。首先討論流程控制的問題。由于分裂的步長不一致，序列經(jīng)過多級分裂后會 造成多種長度序列的混雜排列。這種情況下，若是在程序中直接根據(jù)算法流程來 進行控制，在進行一級分裂后再計算各序列的進一步分離運算，過程將非常復雜， 程序?qū)崿F(xiàn)起來會比較困難。此外，對于長度相等的序列來說，分裂基算法的控制 流程是一樣的。對于本系統(tǒng)來說,進行相關運算的兩個序列的長度很少發(fā)生變化， 所以每次都計算流程控制會存在

52、很大的冗余。因此，在進行運算之前可以先計算- 出流程控制的相關信息，以后每次運算直接利用次信息進行計算即可。/ (0, N/4)-Z (0, N/2)<(N/4, N/8)- (3N/8, N/8)-(N/2, N/8)-(0,N)< (N/2, N/4)< (5N/8.N/16)- (11N/16.N/8)-/ (3N/4, N/8)-J(3N/4,N/4)< (7N/8.N/16) (15N/16.N/16)-0級1級2級-圖3-3沆程控制示意圖圖3-3為流程控制示意圖。圖中(M,N)為基本的信息單位，其中M表示分 裂后子序列的第一個點在序列中的位置，N表示子序列的

53、長度。毎一個(M,N)包 北京郵電大學碩七學位論文含一個序列的起始點和長度信息，從0級的一個序列，到1級的三個序列，不斷 分裂，直至序列長度小于等于4為止。在實際使用時，只需將(M,N)依次放入一隊列中，程序隊列中的信息依次 進行計算，當N大于4時，進行分裂基的分裂運算，當N小于等于4時，直接 進行DFT運算。存放圖33中控制信息對應的隊列如下所示；(O,AT), (0,N/2), (N/2,N/4), (3N/4,N/4), (0,N/4), (N/4, N/8),(3N/8,N/8), (N/2,N/8), (5N/8,N/16), (11N/16,N/16), (3N/4,N/8), (

54、7N/8,N/16), (15N/16,N/16),.仍然以16點序列為例，其對應的隊列應該為：(0,16), (0,8), (8,4), (12,4), (0,4), (4, 2), (6,2)計算功能模塊中2點和4點DFT運算程序?qū)崿F(xiàn)比較簡單，程序?qū)崿F(xiàn)的主要關 注點放在分裂運算上。根據(jù)式(3-19a)、(3-19b)和(3-19c)可知，每次運算 時都需乘上旋轉(zhuǎn)因子略.與流程控制類似，略只與序列的長度有關.因此， 每次運算都計算存在冗余.借鑒消除流程控制冗余的經(jīng)驗，程序可以在算法 進行前把旋轉(zhuǎn)因子值計算好，放在一個隊列里.當算法需要旋轉(zhuǎn)因子時，直接從 隊列中取值即可。如圖31所示，輸入序列

55、x(“)為自然序列，但變換后/(切序列發(fā)生了變化, 不再按照自然序列排列，這種情況在FFT算法中稱為碼位倒置。在進行完FFT 算法運算后，需要將X(切重新排序使之按自然序列排列.同樣，碼位倒匱只與 序列的長度有關聯(lián)，因此在算法運算前將序列重排對應的序號計算好，無需每進 行一次變換就計算一次，降低了計算的冗余.在實際的程序中，首先生成一個序 號對應表，計算后序列只需按照此表進行重排即可。2.相乘根據(jù)式(3-15),計算頻域內(nèi)兩序列相乘。式(3-15)可以進一步表示為： Rxy(k)Xk)Y(k)二 Z2(燈Z(NU)L心(研(3 19)4/Z2(燈-迄2("-燈)異“(&)一4

56、j因此，在進行計算時，只需先計算Z2W，然后將Z?仗)進行反轉(zhuǎn)評議再取共 軌即可得到Z(N-切)“他伙)尸，無需進行兩次取平方運算。頻域相乘完畢后， 按照快速相關的步驟，需要進行傅立葉反變換，即ra(n) = IDFT2(k).根據(jù) 傅立葉變換的線性特性，有：IDFTtk) = 4屁5)<3-20)式(3-20)減少除法運算，在時域?qū)⑾嚓P函數(shù)結果從實數(shù)列變?yōu)榧兓?shù)19北京郵電大學碩七學位論文列。對本系統(tǒng)來說，只需找到相關函數(shù)的最大值，因此此變化對后序計算不產(chǎn)生 影響。所以在頻域兩序列相乘時，只需計算Z2(k)-Z(N-k)NRN(k)Y即可。3.尋找最大值式(3-20)的傅立葉反變

57、換最后一步需要進行碼位倒置重排。對于本系統(tǒng)來 說，只需求的相關函數(shù)的峰值對應的序列號，因此無需對所有的點進行重排。所 以在實際的程序中，進行完IFFT運算后，直接査找序列的峰值，找到峰值后根 據(jù)序號在碼位倒置對應表中進行査詢，即可得到峰值在自然序列中的位置。3. 3. 2互相關算法的程序編譯優(yōu)化為了提高程序的執(zhí)行效率，在程序編譯器的選擇和設置需要考慮程序運行的 硬件和軟件平臺。系統(tǒng)使用的微機平臺使用的硬件配制為雙CPU (Intel Xeon 5130)、2GB內(nèi)存，使用的操作系統(tǒng)為Microsoft Windows Server 2003。在程序 開發(fā)的過程中，使用的是Microsoft Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境。如圖3-1所示，分裂基算法每級運算呈現(xiàn)并行特性。N個點序列可分為N/2 個計算單元獨立運行。因此，應當充分利用算法的并行特性來提高程序的運行效 率。為了提高程序的運行速度，可通過設置編譯器的優(yōu)化級別和對并行庫支持來 實現(xiàn)。在M