基于FPGA的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1、基于FPGA的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)開(kāi)發(fā)Temperature Measurement System of Distributed Optical Fiber Based on FPGA目 錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀31.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3 分布式光纖測(cè)溫原理41.4 課題研究的主要內(nèi)容5第2章 總體方案設(shè)計(jì)62.1 設(shè)計(jì)要求62.2 方案設(shè)計(jì)62.3 FPGA選型92.4 本章小結(jié)9第3章 系統(tǒng)核心硬件設(shè)計(jì)103.1 基于FPGA的硬件電路103.2 硬件電路各模塊設(shè)計(jì)103.2.1 FPGA

2、模塊103.2.2 復(fù)位模塊113.2.3 時(shí)鐘模塊123.2.4 JTAG和AS模塊133.2.5 數(shù)碼管顯示模塊143.2.6 UART模塊143.2.7 光電轉(zhuǎn)換模塊163.2.8 A/D模塊173.2.9 電源模塊203.3 本章小結(jié)21第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.1 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境224.2 軟件整體設(shè)計(jì)234.3 軟件模塊設(shè)計(jì)244.3.1 時(shí)鐘分頻模塊設(shè)計(jì)244.3.2 串口通信模塊設(shè)計(jì)254.3.3 數(shù)碼管模塊設(shè)計(jì)284.3.4 A/D模塊設(shè)計(jì)304.3.5 DSP模塊設(shè)計(jì)324.4 本章小結(jié)33結(jié)論34致謝35參考文獻(xiàn)36摘 要在很多領(lǐng)域中對(duì)環(huán)境或設(shè)備溫度的采集和控制都是非常有

3、必要的，尤其是在電力、石油和化工等一些重要的行業(yè)中保證對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控更是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的單點(diǎn)式溫度傳感器在對(duì)大范圍的測(cè)溫使用上具有一定的局限性，需要研究一種新的分布式溫度測(cè)量裝置來(lái)滿(mǎn)足要求。隨著基于光纖的傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，采用光纖實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)溫已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，而FPGA作為一種功能強(qiáng)大的可編程邏輯器件為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理提供了新的選擇。本設(shè)計(jì)根據(jù)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求和實(shí)際需求對(duì)整體方案進(jìn)行了討論分析，并分別給出了相應(yīng)的硬件方案設(shè)計(jì)和軟件方案設(shè)計(jì)，其中硬件系統(tǒng)主要是基于FPGA的數(shù)據(jù)處理和基于光電轉(zhuǎn)換的光路設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)則是通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言在Qua

4、rtus II軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算和顯示等功能。關(guān)鍵詞：分布式光纖測(cè)溫；拉曼散射；FPGA；數(shù)據(jù)處理ABSTRACTIt is necessary to acquire and control the temperature of environment or equipment in many fields, especially in some important fields like electric power, petroleum and chemical industry etc. which need to guarantee real-time moni

5、toring of temperature. There are some limitations to use a traditional single point temperature sensor for a wide range of temperature measurement, so we need to study a new kind of distributed temperature measurement device to meet the requirements.With the continuous development of fiber sensing t

6、echnology based on the optical, the distributed temperature measurement is realized by using optical fiber has been widely used, and the FPGA provides a new choice, which as a kind of powerful programmable logic devices for data processing in distributed optical fiber temperature measurement system.

7、This design of the distributed optical fiber temperature measurement system is discussed and analyzed according to the function requirement and the actual demand of the overall scheme, and the corresponding hardware design and software design are given. Hardware system is mainly based on FPGA to dea

8、l with data processing, and optical path design based on photoelectric conversion. Software system designed by Verilog HDL language in the QuartusII software platform realizes the FPGA internal data conversion, calculation and display, and other functions.Key words: Distributed fiber temperature-mea

9、sured；Raman scattering；FPGA；Data processingII吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院電氣信息工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 課題研究的背景和意義在各種農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)甚至日常的生活中，對(duì)環(huán)境或者設(shè)備溫度的采集和控制都是非常有必要的，尤其是在一些重要的行業(yè)中保證對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常關(guān)鍵的1-2。比如在電力行業(yè)中需要對(duì)變壓器、電纜和發(fā)電機(jī)等各種電力設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止由于溫度過(guò)高損壞設(shè)備或引起其他更為嚴(yán)重的事故；還有石油和天然氣等能源采集和傳輸領(lǐng)域，對(duì)溫度的要求更為嚴(yán)格，溫度異常將會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的后果；另外溫度監(jiān)測(cè)還應(yīng)用在火災(zāi)預(yù)防及報(bào)警相關(guān)領(lǐng)域中，在火

10、災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠通過(guò)探測(cè)高溫的方法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，為被困人員提供更多的疏散時(shí)間。由此可見(jiàn)，溫度檢測(cè)設(shè)備對(duì)于現(xiàn)代化的工業(yè)發(fā)展和人們生活是非常重要的，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)溫度檢測(cè)設(shè)備的性能要求也越來(lái)越高，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也在不斷地探索新的測(cè)溫方法。隨著基于光纖的傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，采用光纖實(shí)現(xiàn)測(cè)溫作為一種新型的方法也開(kāi)始被深入的研究和廣泛的應(yīng)用3?；诠饫w實(shí)現(xiàn)的溫度傳感器與一般的常規(guī)溫度傳感器有一定的區(qū)別，光纖溫度傳感器是一種分布式的測(cè)溫方法，也就是在整條實(shí)現(xiàn)傳感器的光纖線(xiàn)路上均可以進(jìn)行測(cè)溫的目的，呈現(xiàn)一種分布式的連續(xù)空間測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫范圍更廣。傳統(tǒng)的點(diǎn)式溫度傳感器由于其技術(shù)上實(shí)現(xiàn)容易且

11、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是對(duì)于連續(xù)空間的溫度測(cè)量使用大量的點(diǎn)式溫度傳感器又是不太現(xiàn)實(shí)的，故基于光纖的分布式測(cè)溫方案來(lái)完成連續(xù)空間的大范圍溫度測(cè)量是一種可行的方法。目前，使用光纖實(shí)現(xiàn)的分布式測(cè)溫方案雖然在成本上高于單點(diǎn)溫度傳感器，但是其在性?xún)r(jià)比上確是處于優(yōu)勢(shì)位置，并且一條光纖溫度傳感器的測(cè)溫距離可以達(dá)到幾公里。采用基于光纖的分布式溫度測(cè)量方法具有很多優(yōu)點(diǎn)4，包括有：光纖材料本身具有完全的絕緣性和很強(qiáng)的抗干擾性，能夠有效地防止大電流和高電壓對(duì)其產(chǎn)生的沖擊，另外光纖還具有耐腐蝕等強(qiáng)悍的環(huán)境適應(yīng)能力；光纖中傳播的是光信號(hào)，具有傳播速度快，溫度測(cè)量響應(yīng)實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)；基于光纖實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)

12、量精度高，能夠反應(yīng)較小的溫度變化；測(cè)量的范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量溫度的距離最大超過(guò)了10公里。正是由于采用光纖作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的分布式溫度測(cè)量具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)其都有濃厚的興趣，都展開(kāi)了深入的研究5。因此，對(duì)基于分布式光纖實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行研究是很有必要的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)基于分布式光纖的溫度測(cè)量系統(tǒng)的研究開(kāi)展的比較早，技術(shù)也更為成熟，其最早是在上個(gè)世紀(jì)七十年代末期的時(shí)候由美國(guó)研究人員Rogers及其同事提出的6，其采用的原理是利用光纖在不同溫度先發(fā)出的散射光的強(qiáng)度是存在不同的，這種方式簡(jiǎn)稱(chēng)為POTDR技術(shù)，在隨后的八十年代中由Ha

13、rtog所在的實(shí)驗(yàn)室成功制作出對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備驗(yàn)證了其正確性。英國(guó)對(duì)于分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)的研究貢獻(xiàn)巨大，其首先提出了完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并采用了至今仍在廣泛使用的基于拉曼散射溫度效應(yīng)原理，該思想是英國(guó)的Dakin博士所在的研究中心提出的7，并在提出之后的第二年成功的利用了光纖傳感器和激光發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)100多米距離的溫度測(cè)量，測(cè)量的溫度范圍為70到910K，測(cè)量的溫度精度已經(jīng)達(dá)到了10K，溫度定位分辨率也是在8米以?xún)?nèi)。在完成實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證之后，研究中心又通過(guò)使用半導(dǎo)體激光器和光電轉(zhuǎn)換器來(lái)完善系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為緊湊和實(shí)用。同樣是在英國(guó)，南安普敦大學(xué)在隨后也進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度

14、和空間分辨率更高。由此引起了相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)部門(mén)和科技生產(chǎn)部門(mén)的注意，并成功將其轉(zhuǎn)換為了實(shí)用價(jià)值非常高的產(chǎn)品。在1988年的時(shí)候，英國(guó)的YORK公司正式面向市場(chǎng)退出了一種基于拉曼散射原理的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)8，其一面市就取得了良好的市場(chǎng)，被廣泛的應(yīng)用在不同領(lǐng)域中。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量范圍為-50到+125攝氏度，測(cè)量的精度為3攝氏度，溫度測(cè)量的空間分布分辨率也提高到了7米以?xún)?nèi)，但是測(cè)量距離僅為500米。隨著科研人員對(duì)光纖技術(shù)、激光發(fā)生器以及信號(hào)信號(hào)處理技術(shù)的深入研究，目前英國(guó)的YORK公司最新的分布式光纖溫度傳感器型號(hào)為DTS-800已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)距離長(zhǎng)達(dá)30公里的溫度測(cè)量。國(guó)外對(duì)分布式

15、光纖溫度傳感器的研究不僅僅是英國(guó)，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其也有很大的研究成果。日本在上個(gè)世紀(jì)九十年代的時(shí)候已經(jīng)由騰倉(cāng)公司自主研制開(kāi)發(fā)出了DTS-10009，而日本在1992年已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)達(dá)7公里的分布式溫度傳感器設(shè)計(jì)，空間分辨率更是達(dá)到了3米以?xún)?nèi)。美國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究成功主要是1998年由美國(guó)航天局為其飛行設(shè)備上需要安裝分布式光纖溫度傳感器10，該系統(tǒng)是利用了光纖向后散射的過(guò)程中形成的斯托克斯和反斯托克斯光譜的區(qū)別進(jìn)行溫度信息采集，其具有更為精確的溫度分辨率，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種長(zhǎng)距離的輸油管道和電力輸電線(xiàn)路等領(lǐng)域中。德國(guó)在該領(lǐng)域杰出的代表是GESO技術(shù)公司，該公司研究出的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在

16、對(duì)分布式空間位置的分辨率很高，可以達(dá)到0.5米以?xún)?nèi)，是目前在空間分辨率上做的最好的產(chǎn)品。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外目前對(duì)分布式光纖已經(jīng)比較成熟，已有的產(chǎn)品也有很多，高精度和低成本是國(guó)外當(dāng)前的研究方向。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)分布式光纖溫度傳感器的研究起步比國(guó)外稍微晚一點(diǎn)，國(guó)內(nèi)最早是重慶大學(xué)于上個(gè)世紀(jì)八十年代后期開(kāi)始對(duì)其展開(kāi)了研究11-12，設(shè)計(jì)并完成了相關(guān)可行性分析的實(shí)驗(yàn)，并完成了具有測(cè)量溫度距離為1公里，空間分布分辨率達(dá)到6米以?xún)?nèi)的高精度溫度傳感器，為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起了關(guān)鍵的作用。隨后在九十年代，中科院聯(lián)合計(jì)量學(xué)院一起對(duì)分布式光纖的溫度測(cè)量技術(shù)中的距離問(wèn)題展開(kāi)研究13，從原來(lái)的1公里逐漸增加到2公里

17、、到最后達(dá)到了國(guó)際水平的30公里，在這個(gè)過(guò)程中由張?jiān)谛热送瓿蓪雽?dǎo)體激光器作為測(cè)溫系統(tǒng)的光源有著關(guān)鍵的作用14-15，其使得光的傳輸距離大大增長(zhǎng)。隨著國(guó)內(nèi)科研成果的不斷積累，分布式光纖測(cè)溫技術(shù)逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向了實(shí)際應(yīng)用，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的公司將科研成果轉(zhuǎn)換為實(shí)際的產(chǎn)品，打破了由國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品完全壟斷的局面。比如國(guó)內(nèi)具有自主研發(fā)能力的浙江寧波振東光電有限公司就已經(jīng)成功的推出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品16，實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫方位為-20到+120攝氏度，測(cè)量的范圍一般在20公里左右，實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度完全能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求，產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在電力相關(guān)領(lǐng)域中。深圳市的明鑫科技有限公司通過(guò)具備有很強(qiáng)的自主研發(fā)能力，研發(fā)的

18、產(chǎn)品更是高性能，實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫范圍從-30到+300攝氏度，溫度的分辨率更是高達(dá)0.1攝氏度，空間分辨率位3米以?xún)?nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)的溫度測(cè)量距離可以達(dá)到30公里，這些技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的水平，表明目前國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)完全跟上了國(guó)外的步伐。國(guó)內(nèi)針對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的研究已經(jīng)具備了較高的水平，目前國(guó)內(nèi)研究的內(nèi)容主要為以下幾個(gè)方面17-18：1.需要進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能，從溫度的分辨率和溫度的測(cè)量范圍以及空間的測(cè)量范圍都需要進(jìn)行深入的研究，保證產(chǎn)品具有高性能才能在更多的領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；2.注重新材料的研究，實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度傳感器的很大原因是很大新材料的出現(xiàn)，尤其是光纖技術(shù)和半導(dǎo)體激光器的研發(fā)，一次次

19、新材料上的實(shí)現(xiàn)的突破都為產(chǎn)品性能的提高做出了極大的貢獻(xiàn)；3.提高自主研發(fā)的能力，只有實(shí)現(xiàn)完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)話(huà)才能夠保證產(chǎn)品具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也能提高經(jīng)濟(jì)效益；4.增大應(yīng)用領(lǐng)域，分布式光纖溫度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域是很廣泛的，通過(guò)不斷的尋找應(yīng)用領(lǐng)域才能夠?qū)⑵涓玫膽?yīng)用在實(shí)際中，從而也會(huì)更有利于技術(shù)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有十幾家的公司和很多的高校研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)分布式光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行深入研究，其實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品也是各種各樣的。本文對(duì)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，是對(duì)其進(jìn)行的一次有益的探索。1.3 分布式光纖測(cè)溫原理總所周知，光在介質(zhì)中傳播的時(shí)候會(huì)發(fā)生一定的散射，使得光的傳播方向發(fā)生了變化，其

20、中光的散射主要有三種類(lèi)型：分別為瑞利散射（Rayleigh）、拉曼散射（Raman）和布里淵散射（Brillouin），三種不同的散射類(lèi)型的光譜頻率分布如圖1-1所示。圖1-1 光纖散射三種類(lèi)型示意圖針對(duì)圖1-1所示的三種不同的散射類(lèi)型，下面對(duì)這三種不同的類(lèi)型進(jìn)行詳細(xì)分析說(shuō)明。1.瑞利散射瑞利散射是一種光纖折射率變化形成的散射現(xiàn)象，其特點(diǎn)是入射光和散射光的頻率相同，同時(shí)瑞利散射的光強(qiáng)度是最強(qiáng)的。采用瑞利散射原理實(shí)現(xiàn)的分布式傳感系統(tǒng)一般采用的是光時(shí)域反射（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同空間位置情況的分析，而檢測(cè)瑞利散射光的常用方法則是通

21、過(guò)檢測(cè)接收到的瑞利散射光的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。瑞利散射原理是最早使用在分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中的，但是由于其對(duì)溫度發(fā)生的變化不是很靈敏，導(dǎo)致其測(cè)量溫度的范圍以及精度都受到了極大的限制，目前已經(jīng)很少采用該原理實(shí)現(xiàn)了。2.布里淵散射布里淵散射是由于光子和聲子之間產(chǎn)生的非彈性碰撞形成的散射現(xiàn)象，布里淵散射光的頻率是會(huì)發(fā)生變化的，這與瑞利散射是不同的，同時(shí)布里淵散射光的頻率變化與光纖所在環(huán)境的溫度和應(yīng)力是有關(guān)的，由于存在著應(yīng)力因素的影響，使得對(duì)布里淵散射光受溫度影響和受應(yīng)力影響進(jìn)行判斷區(qū)分是比較困難的。另外，基于布里淵散射原理的測(cè)溫系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上造價(jià)昂貴，頻率與入射光的頻率相近等原因，導(dǎo)致其一直沒(méi)有被大規(guī)模

22、使用。3.拉曼散射拉曼散射是光纖中的介質(zhì)分子與入射光的光子之間的相互作用引起的散射現(xiàn)象，在發(fā)生碰撞的過(guò)程中，入射光中的光子和光纖介質(zhì)中的分子發(fā)生了能量交換，使得光子的傳播方向發(fā)生改變同時(shí)光子攜帶的能量的變化也導(dǎo)致其頻率發(fā)生了改變。在拉曼散射的過(guò)程中，如果光子的能量增加的話(huà)其散射光的頻率增大，稱(chēng)之為反斯托克斯光（Anti-Stokes），反之如果光子的能力減小的話(huà)其散射光的頻率減小，稱(chēng)之為斯托克斯光（Stokes），兩個(gè)光譜分布的位置是基本對(duì)稱(chēng)的。在研究中發(fā)現(xiàn)，Anti-Stokes受到溫度影響比較大，而Stokes幾乎不受周?chē)h(huán)境因素的影響，故通過(guò)兩個(gè)光譜的比較可以消除應(yīng)力和光纖彎曲等其他因素

23、的影響，使得溫度的測(cè)量更為準(zhǔn)確?；诶⑸涞脑韺?shí)現(xiàn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能對(duì)溫度變化有更好的敏感性，能夠達(dá)到很好的測(cè)溫精度，同時(shí)散射光的頻率與入射光的頻率相差較大，能夠較好的進(jìn)行分離。綜上所述，采用拉曼散射原理更適用于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。由于光纖能自發(fā)形成拉曼散射效應(yīng)，在通過(guò)OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間定位是完成整個(gè)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵原理。1.4 課題研究的主要內(nèi)容在本設(shè)計(jì)中主要針對(duì)以下問(wèn)題：第一，詳細(xì)地分析討論了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體要求，給出最適合于本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理方案，從而實(shí)現(xiàn)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其中關(guān)鍵硬件器件FPGA進(jìn)行具體選型；第二，給出了硬件電路的總體

24、設(shè)計(jì)，包括：FPGA模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、JTAG/AS模塊、數(shù)碼管模塊、UART模塊、A/D模塊、光電轉(zhuǎn)換和電源模塊；第三，通過(guò)Quartus II軟件實(shí)現(xiàn)了軟件的整體設(shè)計(jì)，包括有：時(shí)鐘分頻模塊、數(shù)碼管模塊、串口通信模塊、DSP模塊、A/D模塊和同步模塊6個(gè)部分，通過(guò)所設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)需要的功能。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求綜合當(dāng)前人們對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行功能分析研究，需要滿(mǎn)足分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的高精度要求和用戶(hù)方便可靠的對(duì)其進(jìn)行操作，為此，本課題需要完成的任務(wù)主要涉及分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)兩

25、大模塊。為了使本設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有實(shí)用價(jià)值，真正投入到實(shí)際應(yīng)用，能夠?qū)Ω鞣N不同的使用場(chǎng)合都能精確的測(cè)溫和定位，而且考慮其復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、多功能性、穩(wěn)定性以及實(shí)用性等指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下方面：1.硬件電控方面，首先應(yīng)能夠正常工作，其次追求其穩(wěn)定性、抗干擾性、實(shí)用性等；2.軟件設(shè)計(jì)方面，追求代碼的嚴(yán)謹(jǐn)性、全面性、穩(wěn)定性以及系統(tǒng)工作可靠性等；3.整體設(shè)計(jì)方面，追求系統(tǒng)協(xié)調(diào)性，無(wú)論從硬件設(shè)計(jì)到軟件控制，整體都能穩(wěn)定協(xié)調(diào)工作；4.實(shí)際應(yīng)用方面，在使用應(yīng)用方面需要滿(mǎn)足：實(shí)用性：追求其實(shí)用性，能夠完成精確測(cè)溫需求，工作穩(wěn)定可靠；經(jīng)濟(jì)性：在保證性能指標(biāo)的前提下，考慮其低成本設(shè)計(jì)；大眾性：使其面向普通大眾用戶(hù)，非

26、專(zhuān)業(yè)人士同樣可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)操作本系統(tǒng)；可擴(kuò)展性：無(wú)論是模塊，還是整體，靈活設(shè)計(jì)。2.2 方案設(shè)計(jì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是在半導(dǎo)體激光發(fā)生器產(chǎn)生的具有一定周期規(guī)律的光脈沖信號(hào)作用下，短光脈沖在傳感器光纖中傳播的過(guò)程中，在各個(gè)不同的位置都會(huì)發(fā)生拉曼散射，而其散射是反向傳播的，能夠在光波發(fā)送端收到拉曼散射的Stokes和Anti-Stokes兩種光波，由于兩個(gè)光波的頻率是分布在入射光頻率的兩側(cè)，所有需要通過(guò)分光器得到兩個(gè)不同的光波后再由兩個(gè)不同的光濾波器進(jìn)行濾波，完成消去其他雜波之后將Stokes和Anti-Stokes兩種光波分別通過(guò)兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換器（Avalanche Photodiode，APD）

27、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再送入到最終信號(hào)處理單元中，通過(guò)信號(hào)處理模塊中的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的溫度，并可以顯示出不同位置的溫度情況，如圖2-1所示為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。圖2-1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖在圖2-1所示的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要部分是信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)，其是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，也是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，下面對(duì)不同的信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析對(duì)比，從而選擇出最為適合的方案。方案一：采用單片機(jī)+DSP為核心的控制方案該方案采用的是單片機(jī)和DSP聯(lián)合的方式，通過(guò)單片機(jī)控制A/D芯片接收來(lái)自光電轉(zhuǎn)換模塊的模擬量信息，將模擬量信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信息傳輸給DSP，由DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的功能，從而彌

28、補(bǔ)了單片機(jī)在數(shù)據(jù)計(jì)算處理上存在的缺陷，DSP將計(jì)算完成的結(jié)果返回到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行顯示或者上次到上位機(jī)中，方案一系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2-2所示。圖2-2 方案一系統(tǒng)組成框圖方案二：采用FPGA為核心的控制方案如圖2-3所示為基于FPGA的設(shè)計(jì)方案，該方案中采用FPGA為核心控制芯片，其在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了DSP芯片的功能，其他硬件環(huán)境與基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案相同，即將FPGA系統(tǒng)取代單片機(jī)系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)?？梢栽贔PGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)DSP專(zhuān)用芯片的電路，從而可以省去外部DSP芯片的使用。圖2-3 方案二系統(tǒng)組成框圖上述的基于單片機(jī)+DSP的設(shè)計(jì)方案和基于FPGA的設(shè)計(jì)方案采用的核心芯片都不一樣

29、，這就決定了所述的3種方案具有不同的特點(diǎn)，下面對(duì)這2種不同的方案進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，從而選出最佳方案?；趩纹瑱C(jī)+DSP實(shí)現(xiàn)的方案是利用到單片機(jī)的成本比較低，在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中通過(guò)C語(yǔ)言編程也比較容易實(shí)現(xiàn)，但是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)頻率不高，同時(shí)內(nèi)部的指令周期也比較長(zhǎng)，如果軟件編程優(yōu)化不夠的話(huà)還會(huì)造成更多的指令周期的浪費(fèi)，由于這些原因造成由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算能力有限，同時(shí)單片機(jī)自身的資源有限決定了其不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，故需要采用專(zhuān)門(mén)的DSP芯片來(lái)輔助完成計(jì)算任務(wù)?；贔PGA實(shí)現(xiàn)的方案是分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊的發(fā)展趨勢(shì)，其借助于FPGA內(nèi)部電路的可編程特點(diǎn)，同時(shí)FPGA芯片程序并行處理，芯片

30、頻率高的特點(diǎn)都有利于實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算，F(xiàn)PGA芯片相比單片機(jī)芯片或DSP芯片成本會(huì)高一些，但是隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，其成本也越來(lái)越低，性能卻越來(lái)越強(qiáng)悍。采用FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理模塊是在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)DSP邏輯電路，該功能基本可以滿(mǎn)足一般的計(jì)算需要，另外FPGA并行處理機(jī)制可以運(yùn)行其在計(jì)算的同時(shí)保證實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行處理。綜上所述，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)方案的比較可以知道，基于單片機(jī)+DSP實(shí)現(xiàn)的方案具有較好的成本優(yōu)勢(shì)，也是目前使用比較多的方案，但是采用FPGA實(shí)現(xiàn)的方案才是未來(lái)的發(fā)展方向。高性能的數(shù)據(jù)處理模塊需要FPGA的高工作時(shí)鐘頻率和可編程電路的支持，其實(shí)現(xiàn)的成本也可以接受。因此，本設(shè)計(jì)

31、采用的方案為基于FPGA實(shí)現(xiàn)的。2.3 FPGA選型FPGA作為一種可編程邏輯器件，其的出現(xiàn)極大的改變了傳統(tǒng)的集成芯片的設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的單片機(jī)和ARM集成電路均是采用的串行結(jié)果，F(xiàn)PGA內(nèi)部程序可以并行處理，輔以流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA的處理能力和處理速度比單片機(jī)和ARM等芯片高出許多，已經(jīng)被廣泛的使用在各種硬件算法加速器中19-20。FPGA結(jié)合了微電子技術(shù)、EDA設(shè)計(jì)技術(shù)和電子電路設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可編程實(shí)現(xiàn)的各種電路，使得芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證變得更為容易，設(shè)計(jì)也更加靈活。FPGA芯片是美國(guó)的Xilinx公司最先生產(chǎn)出來(lái)的，現(xiàn)在主要有兩大主流廠(chǎng)商：Xilinx和Altera，其一起控制了FPGA市場(chǎng)7

32、0%以上。Xilinx公司的FPGA芯片主要有Sparten系列的低成本芯片和Virtex系列的高端芯片，最新推出的基于22nm技術(shù)7系列芯片更是分成了3種不同等級(jí)的芯片，為用戶(hù)提供了更多的選擇。Altera公司的產(chǎn)生主要分為三個(gè)不同的等級(jí)：Cyclone系列的低成本設(shè)計(jì)芯片、Arria中高端設(shè)計(jì)芯片和Stratix系列的高端軍工級(jí)芯片，不同系列的芯片中還細(xì)分有很多不同的型號(hào)，為FPGA用戶(hù)提供更多的選擇方案?？紤]到分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求越來(lái)越高，需要選擇一款性能更好的FPGA來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)方案。隨著FPGA的在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式光纖測(cè)溫

33、系統(tǒng)也是必然的趨勢(shì)，其可靠性更高，設(shè)計(jì)硬件電路也更為簡(jiǎn)單，減少了很多不必要的外圍元件，其在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以借助很多EDA設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行調(diào)試檢驗(yàn)，另外，F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)方案的好壞與FPGA本身無(wú)關(guān)，其使用的HDL語(yǔ)言及其他設(shè)計(jì)方法并不會(huì)對(duì)方案造成影響，方案的移植具有更好的靈活性。根據(jù)上述的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和功能需求，經(jīng)過(guò)對(duì)比和研究，決定采用Altera公司生產(chǎn)具有低成本低功耗的Cyclone系列芯片作為本方案的FPGA芯片，具體型號(hào)為EP3C25Q240C8N。2.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)地分析了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體要求，根據(jù)實(shí)際需求給出最適合于本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理方案，從而實(shí)現(xiàn)了分布式光

34、纖測(cè)溫系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并按照方案對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中包含的關(guān)鍵硬件器件FPGA進(jìn)行具體選型。第3章 系統(tǒng)核心硬件設(shè)計(jì)3.1 基于FPGA的硬件電路所設(shè)計(jì)的基于FPGA的分布式測(cè)溫系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示，其中硬件設(shè)計(jì)主要包括有：一片型號(hào)為EP3C25Q240C8N的FPGA芯片、用于顯示的4位數(shù)碼管、電源模塊、下載調(diào)試模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、UART模塊和光電轉(zhuǎn)換+A/D模塊。圖3-1 基于FPGA硬件電路設(shè)計(jì)在圖3-1中，F(xiàn)PGA接收來(lái)自光電轉(zhuǎn)換和A/D模塊處理后的數(shù)字量信息，通過(guò)FPGA內(nèi)部的DSP計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)之后再由UART串口通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中，同時(shí)也

35、在FPGA本地由數(shù)碼管進(jìn)行簡(jiǎn)單顯示，所設(shè)計(jì)的程序是通過(guò)JTAG接口下載到FPGA中，并且可以采用JTAG對(duì)程序進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)試，時(shí)鐘和電源以及復(fù)位電路是FPGA工作的必備外圍電路，同時(shí)還設(shè)置有LED等簡(jiǎn)單外設(shè)，方便今后功能擴(kuò)展。3.2 硬件電路各模塊設(shè)計(jì)3.2.1 FPGA模塊所采用的FPGA選用的是Altera公司生產(chǎn)具有低成本低功耗的Cyclone系列芯片，具體型號(hào)為EP3C25Q240C8N，該芯片內(nèi)部資源豐富，對(duì)于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足功能要求，具體的特點(diǎn)如下：（1）具有豐富的FPGA內(nèi)部布線(xiàn)資源，一個(gè)芯片上一共具有24624個(gè)左右的內(nèi)部可編程邏輯單元；（2）提供足夠的運(yùn)算資源，

36、一共有132個(gè)左右的9×9內(nèi)嵌乘法器；（3）含有大量可用的片內(nèi)塊RAM，塊RAM的容量達(dá)到了608256bits，塊RAM可以配置為雙端口RAM或者FIFO等存儲(chǔ)器；（4）具有豐富的I/O接口，為用戶(hù)提供了最多有149個(gè)可用的I/O管腳；（5）提供有高精度的4個(gè)PLL時(shí)鐘鎖相環(huán)。如圖3-2所示為EP3C25Q240C8N芯片的硬件設(shè)計(jì)原理圖。圖3-2 EP3C25Q240C8N芯片電路原理圖3.2.2 復(fù)位模塊一般一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)除了FPGA之外主要由一個(gè)復(fù)位電路和外接一個(gè)時(shí)鐘電路構(gòu)成。如圖3-3所示為EP3C25Q240C8N芯片的復(fù)位電路原理圖。在設(shè)計(jì)FPGA的復(fù)位電路

37、之前，首先要明確知道所用FPGA芯片是采用高電平復(fù)位方案還是采用低電平復(fù)位的方案，常用的各種型號(hào)的51單片機(jī)多采用的是高電平復(fù)位的方案，而FPGA芯片則與其不同采用的是低電平復(fù)位的方案。圖3-3中的電容C71參數(shù)為0.1uF，其作用是消除按鍵產(chǎn)生的干擾和雜波情況。當(dāng)FPGA系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，按下按鍵KEY，則復(fù)位管腳對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)被拉低，使FPGA芯片處于復(fù)位狀態(tài)。圖3-3 復(fù)位電路原理圖3.2.3 時(shí)鐘模塊一般一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)除了FPGA之外主要由一個(gè)復(fù)位電路和外接一個(gè)時(shí)鐘電路構(gòu)成。如圖3-4所示為EP2C5Q208C8芯片的時(shí)鐘電路原理圖。圖3-4 時(shí)鐘電路原理圖FPGA的

38、時(shí)鐘是通過(guò)外部的有源晶振提供的，如圖3-4所示，晶振對(duì)于FPGA而言是十分重要的，它作為FPGA的時(shí)鐘提供者，為FPGA提供所需的時(shí)鐘頻率，如果沒(méi)有使用晶振的話(huà)，F(xiàn)PGA是不能正常工作的。圖3-4所示的時(shí)鐘電路選擇的外部有源晶振的時(shí)鐘頻率為50MHz，圖3-4中的電容C67的參數(shù)為0.1uF，它的作用是提高晶振提供的時(shí)鐘精度。在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，晶振要盡量靠近FPGA的時(shí)鐘輸入管腳。另外有源晶振的時(shí)鐘輸出需要串聯(lián)一個(gè)33歐姆的電阻，其作用是為了減小反射波，避免反射波疊加引起過(guò)沖，從而提高時(shí)鐘的精度。3.2.4 JTAG和AS模塊FPGA芯片的編程調(diào)試需要用到JTAG接口，通過(guò)該接口將程序下載到F

39、PGA內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)試，當(dāng)完成調(diào)試工作之后修改程序，再將最終實(shí)現(xiàn)的程序通過(guò)AS下載接口下載到與FPGA相連的FLASH芯片EPCS64中，如圖3-5所示為FPGA的JTAG和AS的電路原理圖。圖3-5 JTAG/AS電路原理圖如圖3-5所示為FPGA芯片電路原理圖中的AS和JTAG部分，其中JTAG下載部分由一個(gè)2*5的母線(xiàn)插槽直接與FPGA管腳相連接，其中需要幾個(gè)上拉電阻。AS下載部分則需要2*5的母線(xiàn)插槽和EPCS64芯片，工作時(shí)先由下載器將程序從PC機(jī)下載到EPCS64芯片，然后再將EPCS64芯片中的程序讀取出來(lái)在FPGA中執(zhí)行。3.2.5 數(shù)碼管顯示模塊對(duì)于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)而言

40、，將采集的溫度的情況實(shí)時(shí)地顯示給用戶(hù)看是很有必要的，一般采用數(shù)碼管的形式將溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)值顯示出來(lái)即可達(dá)到目的。如圖3-6所示為數(shù)碼管的電路原理圖，該數(shù)碼管可以表現(xiàn)出4個(gè)數(shù)字，分別通過(guò)4個(gè)不同的關(guān)鍵DIG1-DIG4進(jìn)行選擇控制，每個(gè)數(shù)字顯示的內(nèi)容由七段數(shù)碼管的形式表現(xiàn)，具體由A-G管腳和DP管腳控制。圖3-6 數(shù)碼管電路原理圖如圖3-6所示為數(shù)碼管的電路原理圖，一共采用4位七段數(shù)碼管。對(duì)于七段數(shù)碼管而言，如果由多個(gè)數(shù)碼管構(gòu)成多位數(shù)字，那么其顯示就可以采用不同的方法來(lái)完成，分別為靜態(tài)顯示的方法和動(dòng)態(tài)顯示的方法。靜態(tài)顯示的方案就是某個(gè)七段數(shù)碼管中的數(shù)字是一直顯示的，發(fā)光二極管處于恒導(dǎo)通狀態(tài)，這種方

41、式下需要對(duì)每個(gè)數(shù)碼管都分配相應(yīng)的9個(gè)I/O管腳，對(duì)于用于四個(gè)數(shù)字的七段數(shù)碼管就需要單片機(jī)的分配相應(yīng)的36個(gè)I/O管腳，對(duì)單片機(jī)的管腳I/O需求很大。動(dòng)態(tài)顯示的方案就是通過(guò)掃描的方式來(lái)顯示數(shù)字，即在第一時(shí)刻選同第一個(gè)數(shù)碼管，第一個(gè)數(shù)碼管的選通信號(hào)有效，其他的數(shù)碼管選通信號(hào)無(wú)效，在8個(gè)數(shù)字信息I/O管腳中給出需要顯示的數(shù)字，然后進(jìn)入第二個(gè)時(shí)刻選通第二個(gè)數(shù)碼管，第二個(gè)數(shù)碼管的選通信號(hào)有效，其他數(shù)碼管的選通信號(hào)無(wú)效，在8個(gè)數(shù)字信息I/O管腳中給出需要顯示的數(shù)字，以此類(lèi)推進(jìn)入第三和第四時(shí)刻，以四個(gè)數(shù)碼管的顯示掃描為周期，只要掃描顯示的時(shí)間間隔超過(guò)人眼的分辨能力即可。雖然動(dòng)態(tài)顯示的方式的數(shù)碼管顯示不如靜態(tài)

42、顯示的數(shù)碼管穩(wěn)定，但是能夠大大地減少管腳的使用數(shù)量，如圖3-6所示即為采用動(dòng)態(tài)掃描的方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)碼管電路原理圖，數(shù)碼管可以表現(xiàn)出4個(gè)數(shù)字，分別通過(guò)4個(gè)不同的關(guān)鍵DIG1-DIG4進(jìn)行選擇控制，每個(gè)數(shù)字顯示的內(nèi)容由七段數(shù)碼管的形式表現(xiàn)，具體由A-G管腳和DP管腳控制，整個(gè)數(shù)碼管的顯示采用不停的掃描顯示方案。3.2.6 UART模塊串口通信則是用戶(hù)一些慢速的少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，與另外一種并行通信相比而言對(duì)于數(shù)據(jù)間的同步要求不高，在并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)越高的情況下對(duì)數(shù)據(jù)間的同步要求也就越高，相比之下采用串行數(shù)據(jù)傳輸方案實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于數(shù)據(jù)的同步要求比較低，可靠性也比較高。本設(shè)計(jì)對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速度

43、要求不高，故采用最為簡(jiǎn)單的串口通信即可，如圖3-7所示為串口通信的電路原理圖。圖3-7 串口通信電路原理圖如圖3-7所示為基于MAX232的串口通信電路圖，在該方案中只需要使用UART_TXD和UART_RXD兩個(gè)管腳即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其中接收數(shù)據(jù)的端口需要采用一個(gè)上拉電阻將其在沒(méi)有數(shù)據(jù)流通的數(shù)據(jù)處于高電平狀態(tài)。MAX232芯片是常用的串口通信電平轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)C機(jī)中的高電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為FPGA系統(tǒng)需要低電平信號(hào)，如表3-1所示為MAX232芯片的管腳功能表。表3-1 MAX232管腳功能管腳功能R1/2IN第一/二接收通道TTL端R1/2OUT第一/二接收通道COMS端T1/2IN

44、第一/二發(fā)送通道COMS端T1/2OUT第一/二發(fā)送通道TTL端C1+/- C2+/-電荷泵電路VDD/VEE電荷泵電源和接地VCC芯片電源GND芯片地如圖3-7可知，在MAX232芯片中需要電荷泵電路來(lái)產(chǎn)生TTL端需要的電平，從而通過(guò)RS232線(xiàn)將PC機(jī)和FPGA進(jìn)行連接，其中電容采用的都是容值為0.1uF的無(wú)極性電容。串口通信是連接測(cè)溫系統(tǒng)和上位機(jī)的有效方式，其只需要一根傳輸線(xiàn)，傳輸線(xiàn)中采用的是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，硬件連接上只需要兩根數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)，分別為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，能夠?qū)崿F(xiàn)一種全雙工的通信方式，下面針對(duì)串口通信的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一個(gè)完整的232串口通信的數(shù)據(jù)格式可以表示為一個(gè)幾

45、個(gè)部分：1.起始位1bit，數(shù)據(jù)格式中用一個(gè)起始位來(lái)表示通信發(fā)送端或者接收端需要發(fā)送或者接收到有效的數(shù)據(jù)信息了，起始位一般用一個(gè)低電平的數(shù)據(jù)來(lái)表示。2.數(shù)據(jù)位8bit，數(shù)據(jù)位就是串口通信連接的兩端需要的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，這個(gè)數(shù)據(jù)信息才是最為重要的信息，一次傳輸定義數(shù)據(jù)信息只有8bit，傳輸過(guò)程中低位的數(shù)據(jù)先發(fā)送，高位的數(shù)據(jù)后發(fā)送，接收的時(shí)候也是先接收到低位的數(shù)據(jù)，然后才能接收到高位的數(shù)據(jù)。3.奇偶檢驗(yàn)位1bit，為了提高串口通信兩端數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕梢圆捎迷谕ㄐ艛?shù)據(jù)中加入奇偶檢驗(yàn)位的方式來(lái)判斷傳輸數(shù)據(jù)的正確性，其有時(shí)候可以采用2bit的方式來(lái)表示。4.停止位1bit，在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的時(shí)候，還需

46、要通過(guò)一個(gè)停止位來(lái)表示數(shù)據(jù)發(fā)送已經(jīng)完畢，從而接收端在接收端停止位的信息的時(shí)候能夠停止接收數(shù)據(jù)，停止位一般采用高電平表示，另外停止位也可以用2bit的方式來(lái)表示。5.空閑位nbit，在通信兩端的通信鏈路上沒(méi)有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)臅r(shí)候可以通過(guò)填充空閑位的方式來(lái)說(shuō)明當(dāng)前無(wú)有效數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)，空閑位一般采用的是高電平的方式來(lái)表示。圖3-8 串口通信數(shù)據(jù)格式如圖3-8所示為串口通信完整的數(shù)據(jù)格式，在這個(gè)數(shù)據(jù)格式中是比較完整的方式，在實(shí)際使用中可以根據(jù)使用場(chǎng)合進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，本設(shè)計(jì)使用的通信格式為1bit的起始位、8bit的數(shù)據(jù)位和1bit的停止位的方式，其一共有10bit組成，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的串口數(shù)據(jù)交互。3.

47、2.7 光電轉(zhuǎn)換模塊分布式光纖返回的拉曼散射光波中的Anti-Stokes和Stokes光波分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)一樣的光電轉(zhuǎn)換器（Avalanche Photodiode，APD）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再送入到最終信號(hào)處理單元中，如圖3-9所示為光電轉(zhuǎn)換的電路原理圖。圖3-9 光電轉(zhuǎn)換電路原理圖在圖3-9所示的光電轉(zhuǎn)換電路中，主要使用的器件是APD以及型號(hào)為AD708的運(yùn)放，其中APD直接采用了成都萊特瑞科公司的光電轉(zhuǎn)換器，其性能穩(wěn)定，工作可靠，是一種比較常用的雪崩型光電轉(zhuǎn)換器，具體的參數(shù)如表3-2所示。表3-2 APD具體功能參數(shù)功能參數(shù)轉(zhuǎn)換速度2.5Gb/s響應(yīng)度10A/W(25)響應(yīng)波長(zhǎng)900-1

48、700nm工作溫度-40到+85結(jié)構(gòu)平面正照在圖3-9中還使用了AD708實(shí)現(xiàn)了放大電路，在由AD708工程的放大電路中，APD被當(dāng)作為一個(gè)電流源來(lái)對(duì)待，電流源在不同的光照強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同大小的電流，而該電流在經(jīng)過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器的作用下，將對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸硎竟庹諒?qiáng)弱的電壓信號(hào)，并通過(guò)SigalA和SigalB輸出。3.2.8 A/D模塊在本設(shè)計(jì)中使用到的A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用的是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9288，其轉(zhuǎn)換的速度能夠達(dá)到100M，并且一塊芯片具有獨(dú)立的雙通道，正好滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的兩路模擬量輸入信號(hào)。芯片AD9288的具體功能參數(shù)如表3-3所示。表3-3 AD9288管腳功

49、能功能參數(shù)分辨率8bit通道數(shù)2獨(dú)立通道轉(zhuǎn)換速率100Mbps參考電壓+2.7到+3.3V數(shù)字輸出TTL/CMOS兼容輸入電壓范圍1Vp-p功耗90mW信噪比47dB如圖3-9所示為AD9288芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由圖3-10可以看出，AD9288具有兩路完全獨(dú)立的模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量的電路，其采用的參考時(shí)鐘也是獨(dú)立的，這樣使得對(duì)AD9288的控制更為簡(jiǎn)單容易。圖3-10 AD9288內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD9288是一個(gè)雙通道的8bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有低功耗和高轉(zhuǎn)換率的特點(diǎn)，一般只需要提供標(biāo)準(zhǔn)的參考時(shí)鐘信號(hào)即可使A/D芯片處于正常工作狀態(tài)，如圖3-11所示為AD9288芯片的電路原理圖。圖3-10 AD92

50、88電路原理圖對(duì)于圖3-11中每個(gè)管腳的功能如表3-4所示。表3-4 AD9288管腳功能編號(hào)管腳功能1,12,16,27,29,32,34,35GND芯片接地2,3AIN+/-模擬量輸入通道A10,11BIN+/-模擬量輸入通道B4DFS低電平為偏移二進(jìn)制碼，高電平為補(bǔ)碼5,6,7REFA/B/OUT模擬量參考電壓8,9S1/2選擇使用的參考電壓13,30,31,48VD模擬量參考電壓37-44,17-24DA0-7,DB0-7A/B通道數(shù)字量輸出14,47ENCA/B通道A/B的輸入時(shí)鐘15,28,33,46VDD數(shù)字量參考電壓25,26,35,36NC空管腳3.2.9 電源模塊電源模塊是

51、系統(tǒng)的工作電能來(lái)源，一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源是十分必要的，數(shù)據(jù)處理中采用了AMS1117系列的電源穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA供電，如圖3-12所示為電源電路的原理圖。圖3-12 電源電路原理圖如圖3-12所示，外界輸入電壓為5V，經(jīng)過(guò)電容濾波之后到AMS1117穩(wěn)壓芯片，其中穩(wěn)壓芯片具體分為2種，分別為AMS1117-3.3和AMS1117-1.2兩種，分別得到穩(wěn)壓后的電壓為3.3V和1.2V，為FPGA系統(tǒng)提供需要的電壓值，當(dāng)電源接通的時(shí)候電源燈LED也會(huì)亮。為了減少諧波的干擾，在FPGA芯片電源管腳周?chē)加写罅康臑V波電容。3.3 本章小結(jié)本章首先給出了硬件電路的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求重點(diǎn)說(shuō)明了

52、硬件系統(tǒng)中各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，包括：FPGA模塊、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、JTAG/AS模塊、數(shù)碼管模塊、UART模塊、A/D模塊、光電轉(zhuǎn)換和電源模塊，由上述模塊的組合實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的硬件電路。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境近年來(lái)，隨著電子設(shè)計(jì)的飛速發(fā)展，使得EDA技術(shù)的研究及應(yīng)用出現(xiàn)了廣闊的發(fā)展空間，使用FPGA(Field Programmble Gate Array)或者CPLD(Complex Programmable Logic Device)設(shè)計(jì)可以將事先已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路燒寫(xiě)入FPGA或CPLD器件中，如同自行設(shè)計(jì)的集成電路一樣，大大減少了電路的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

53、圖4-1 Quartus II的設(shè)計(jì)流程圖Altera作為世界上最大的可編程邏輯器件廠(chǎng)家之一，其提供的Quartus II軟件是專(zhuān)門(mén)為FPGA/CPLD設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的集成環(huán)境。Quartus II是Altera公司在21世紀(jì)初推出來(lái)替代原本的MAX+PLUS II的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用的是Altera的FPGA芯片，其軟件編程采用的是Quartus II軟件，如圖4-1所示為Quartus II的設(shè)計(jì)流程圖。Quartus II是一款功能強(qiáng)大全面的編程軟件，可以支持Verilog HDL、VHDL和原理圖等多種編程方式其中的HDL表示的全稱(chēng)是Hardware Description Langu

54、age，表示的是硬件描述語(yǔ)言。Quartus II支持多種系統(tǒng)軟件，不見(jiàn)可以在Windows中使用，還可以在Linux和Unix上安裝使用，極大的方便了使用Altera公式FPGA芯片的用戶(hù)。Quartus II不僅自身功能強(qiáng)大，還支持很多第三方軟件，與各種第三方軟件很好的結(jié)合，加快了用戶(hù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)速度。除了常規(guī)的FPGA內(nèi)部編程之外，Quartus II還提供有DSP Builder和可編程的片上系統(tǒng)(SOPC)等更為高級(jí)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)其具備有與使用廣泛的MATLAB工具相結(jié)合的接口。Quartus II軟件支持的器件種類(lèi)眾多，主要有Stratix系列、Stratix II系列、Strat

55、ix III系列、Stratix IV系列、Stratix V系列、Arria系列、Arria II系列、Arria V系列、Cyclone系列、Cyclone II系列、Cyclone III系列、Cyclone IV系列、Cyclone V系列、MAX II系列、MAX V系列、HardCopy II系列等。4.2 軟件整體設(shè)計(jì)完成分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的核心硬件設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)其軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4-2所示為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)圖，由該圖可以知道軟件一共分為5個(gè)部分，包括有：時(shí)鐘分頻模塊、數(shù)碼管模塊、串口通信模塊、DSP模塊、同步模塊和D/A模塊。圖4-2 軟件整體設(shè)計(jì)在圖4

56、-2中，時(shí)鐘分頻模塊為軟件系統(tǒng)中的其他模塊提供時(shí)鐘所需要的時(shí)鐘信號(hào)，其中數(shù)碼管模塊接收需要顯示的數(shù)據(jù)而向外設(shè)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；A/D模塊將輸入的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，從而能夠通過(guò)DSP模塊進(jìn)行計(jì)算處理；DSP模塊是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，通過(guò)累加等操作實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度的獲?。淮谕ㄐ拍K能夠連接上位機(jī)程序和基于FPGA的程序，從而為用戶(hù)提供上位機(jī)控制環(huán)境，提供了人機(jī)交互能力。4.3 軟件模塊設(shè)計(jì)4.3.1 時(shí)鐘分頻模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中使用的FPGA硬件電路中通過(guò)外部連接的有源晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘頻率達(dá)到了25MHz，對(duì)于FPGA內(nèi)部的各個(gè)模塊中有些程序并不需要這么高的時(shí)鐘信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行降頻處理

57、得到負(fù)荷要求的時(shí)鐘信號(hào)。因此，25MHz的頻率太高，需要對(duì)其進(jìn)行分頻處理。根據(jù)上述要求，在FPGA內(nèi)部軟件系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了時(shí)鐘分頻模塊，其分頻系數(shù)設(shè)置為25，輸入的時(shí)鐘為25MHz，輸出時(shí)鐘為1MHz。如圖4-3所示為分頻電路的設(shè)計(jì)原理。圖4-3 分頻原理由圖4-3可以看出，時(shí)鐘分頻原理是根據(jù)原有的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的原理進(jìn)行分頻。對(duì)于從25MHz的時(shí)鐘頻率將為1MHz的時(shí)鐘頻率需要進(jìn)行分頻系數(shù)為25的分頻，也就是計(jì)數(shù)器對(duì)原有的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行上升沿計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)上升沿?cái)?shù)量達(dá)到25的之后得到一個(gè)新的時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，其中新的時(shí)鐘信號(hào)的下降沿在計(jì)數(shù)器達(dá)到25/2的時(shí)候得到。根據(jù)上述方法可以得到分頻后的時(shí)鐘，并且只要改變分頻系數(shù)就可以得到不同的分頻時(shí)鐘，使用非常方便。時(shí)鐘分頻模塊所對(duì)應(yīng)的Verilog語(yǔ)言編程如下：always (posedge clk_25M or negedge reset)begin if(!reset) begin