专利名称：分布式光纤测温系统用高速a/d数据采集卡的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速数据采集卡，尤其涉及一种基于拉曼散射的分布式光纤测温系统用高速A/D数据采集卡。
背景技术：
分布式光纤拉曼测温系统是一种用于实时感测空间温度场分布的传感系统。它利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，根据光在光纤中传输时产生的背向拉曼(Raman) 散射光所携带的温度效应测量光纤路径的温度信息，同时采用光时域反射(OTD Optical Time Domain)技术对光纤路径的温度空间分布进行定位，从而实现沿光纤连续分布的温度信息的实时分布式测量。与传统温度测量技术相比，具有可测距、可复用、抗强电磁干扰、耐高压、适用于易燃易爆环境、能实时分布式测量等优点。因此可广泛应用于电力、石油、隧道等的温度监测和火灾预警。但光纤拉曼测温系统也有其缺点，主要就是背向拉曼散射光强很弱，约为入射光的10_8，测量的温度信息几乎完全淹没在噪声当中。为了提高系统的信噪比，根据噪声的随机特性，一般采用增加信号累加次数的方法。此外，由于是分布式测量，在同一时间需要测量大量的点(几千个)，因此从实际应用角度看，如何提高数据的采集与处理能力就成为了实现系统高速和高精度要求的关键技术之一。。早期的数据采集与处理主要由瞬态记录仪和微型计算机来完成，但由于要处理大量的数据，对微型计算机的实时计算有很高的要求，不容易控制。目前，国内主要采用数据采集卡与计算机相结合的上、下位机来实现，但高速数据采集卡一般价格昂贵，而且受到国外的技术限制。此外，当前常用的数据采集装置的系统软件设计，多采用单任务顺序机制，这样就存在系统安全性差的问题，这对于稳定性、实时性要求很高的光纤拉曼测温系统数据采集装置来说是不允许的。再者，数据采集卡一般采用PCI (Peripheral Component htercormection，周边元件扩展接口)总线接口，必须连接计算机的PCI插槽才可以采集数据，使用不便。也有报道采用两片A/D并行实现高速数据采集，但由于通道失配误差的影响，难以实现高精度的要求，而且因为使用两片A/D，存在成本高、电路设计复杂等缺点。
发明内容本实用新型所要解决的问题是克服上述现有技术存在的不足，提出一种使用方便、成本低、能够满足分布式光纤拉曼测温系统高速率和高精度要求的高速A/D数据采集卡。一种分布式光纤拉曼测温系统用高速A/D数据采集卡，包括电路板，所述电路板上设有A/D转换器、可同时输入两路单端信号或者两路差分信号的信号输入单元、同步脉冲控制单元、信号单端输入变差分输入单元、触发开关、稳压电路、数模串行接口、实现输出信号与外部电路的电平匹配的电平转换单元和信号输出单元，所述触发开关在所述同步脉冲控制单元的触发下完成A/D数据采集的开或关。[0007]优选的，所述A/D转换器是速率在100MSPS以上、分辨率为14位的高速A/D转换器。进一步优选的，所述同步脉冲控制单元采用激光器输出的激光脉冲作为时钟脉冲。本实用新型的有益效果是1)本实用新型采用一片A/D转换器同时接收拉曼散射的两路输入信号，相比采用国外昂贵的高速数据采集卡或使用两个A/D转换器，成本更低，仅有传统技术方案的1/4 左右；而且相比使用两片A/D的测温系统，电路设计更加简单，也不存在通道失配引起的误差影响，精度更高。2)改变了传统数据采集卡的信号输入方式，本实用新型的高速A/D数据采集卡采用信号差分输入，可以有效的减小外部干扰，提高精度。3)通过激光器输出的同步脉冲实现对信号的同步采样，可以满足双通道信号采样的同步性要求。4)完成A/D转换后，通过本地的FPGA或DSP在硬件上就可以完成对信号数据的累加等处理，而传统的数据采集卡一般通过采用单任务顺序机制的软件处理数据，因此本实用新型应用于分布式光纤拉曼测温系统可以有效避免软件设计所存在的计算速度较慢、 系统稳定性和实时性相对较差等问题，满足了系统对数据高速处理的要求。同时因其具有嵌入式的特点，在本地就可以独立完成数据采样和处理，也可以通过USB、TCP/IP传输到上位机，而传统数据采集卡必须连接计算机才可以完成数据采集，因此本实用新型的高速A/D 采集卡使用更加方便；5)在数据处理单元，通过采用数据累加算法，可以提高信噪比；6)采用速率不低于100MSPS、分辨率为14位的高速A/D转换器，并且采样流水线的工作方式，可以在降低硬件成本的条件下实现系统信号的高速采集。
图1为本实用新型一个优选实施例的应用于分布式光纤拉曼测温系统的原理示意图。图2为图1中的高速A/D数据采集卡电路板结构示意图。图3为图2的高速A/D数据采集卡的数据采集时序图。
具体实施方式
以下结合实施例并对照附图对本实用新型作进一步详细的说明。如图1所示，是本实用新型一个优选实施例的应用于分布式光纤拉曼测温系统的原理示意图。该系统的工作原理是激光器LD输出波长为1550nm的激光脉冲，通过分光模块的光耦合器接入传感光纤，根据光在光纤中传输的自发拉曼散射原理，产生背向拉曼散射光(斯托克斯和反斯托克斯光)，再通过分光模块对这两路信号光进行分离，之后进入光电检测器APD得到模拟电信号，然后送入前置放大器以获得合适的增益。被放大之后的模拟信号则在时钟脉冲的同步控制下，通过本实用新型发明采用的A/D数据采集单元完成数据的采集和模数转换，输出的采样数据通过本地的DSP或FPGA在硬件上完成对数据累加等信号处理得到温度信息，最后实现被测光纤温度信息的显示和预警。如图2所示，是本实用新型的高速A/D数据采集卡电路板1的结构示意图。本实用新型的高速A/D数据采集卡包括1)信号输入单元3 (J1-J4)可以同时输入两路单端信号或者两路差分信号和同步时钟输入端信号4 (ENC)；2)信号单端输入变差分输入单元5 (T1、T2):该模块可以改变信号单端输入方式， 使之实现差分输入的功能，可以有效减小外部干扰；3)高速A/D转换单元2 (U1，图中显示为A/D芯片)在同步时钟控制下完成两路数据的高速采样和模数转换；4)触发开关6 (Si)在脉冲时钟的触发下完成A/D采样的开或关；5)稳压电路7 (U11-U12)为整个电路提供稳定的电压，保证电路的正常工作；6)数模串行接口 8 (JP1-JP2)；7)电平转换单元9 (U2_U4、U9)完成输出信号与外部电路的电平匹配，避免电平失配引起的误差；8)信号输出单元10 (J5)可以输出信号至计算机、FPGA等进行后续信号处理。图3是本实用新型A/D采集卡的数据采集时序图。两路模拟信号输入本实用新型 A/D数据采集卡的同时，脉冲时钟同步输入以控制A/D数据采集卡完成对两路模拟信号的同步采样。其中，tH为时钟脉冲的高电平脉宽，tL为时钟脉冲的低电平脉宽，在时钟脉冲上升沿时刻，经过一定的时延tD后，A/D数据采集卡开始对两路模拟信号进行数据采集，时钟脉冲下降沿时刻，经过一定的时延t。后，触发开关关闭，A/D数据采集卡完成一次数据采集。 在采集次数达到预先设定的采集总次数之前，在时钟脉冲的触发下，A/D数据采集又进入下一个周期的数据采集。本实用新型针对现有技术方案的不足，在电路结构和方法上进行了改进采用一片A/D采集数据代替传统的数据采集卡或两片A/D并行的方式；使用硬件方法处理数据代替传统数据采集卡的软件处理方式；使用嵌入式硬件电路代替传统数据采集卡的PCI插槽方式；信号输入采用差分输入代替传统技术的单端输入；并且数据的采集、处理等都采用流水线方式工作。相比普通高速数据采集卡的技术方案，成本更低、使用更方便、系统更加稳定、实时性也更好；同样相比采用两片A/D并行采集数据的技术方案，成本更低、电路更简单、精度更高。本实用新型的高速A/D数据采集卡用于光纤拉曼测温系统得到的性能指标如下温度测量范围-20°C +120°C ；测量距离范围10km;温度测量精度士 1°C;空间分辨率1m;测量时间<30s ；从系统实现的性能指标可以看出，本实用新型的高速A/D数据采集卡应用于光纤拉曼测温系统，具有测量范围大、测量距离远、测量精度高、空间分辨率高、实时性好等特点ο以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能
5认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种分布式光纤测温系统用高速A/D数据采集卡，包括电路板，其特征是所述电路板上设有A/D转换器、可同时输入两路单端信号或者两路差分信号的信号输入单元、同步脉冲控制单元、信号单端输入变差分输入单元、触发开关、稳压电路、数模串行接口、实现输出信号与外部电路的电平匹配的电平转换单元和信号输出单元，所述触发开关在所述同步脉冲控制单元的触发下完成A/D数据采集的开或关。
2.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统用高速A/D数据采集卡，其特征是所述 A/D转换器是速率在100MSPS以上、分辨率为14位的高速A/D转换器。
3.如权利要求1或2所述的分布式光纤测温系统用高速A/D数据采集卡，其特征是 所述同步脉冲控制单元采用激光器输出的激光脉冲作为时钟脉冲。
专利摘要本实用新型提供一种分布式光纤拉曼测温系统用高速A/D数据采集卡，包括电路板，所述电路板上设有A/D转换器、可同时输入两路单端信号或者两路差分信号的信号输入单元、同步脉冲控制单元、信号单端输入变差分输入单元、触发开关、稳压电路、数模串行接口、实现输出信号与外部电路的电平匹配的电平转换单元和信号输出单元，所述触发开关在所述同步脉冲控制单元的触发下完成A/D数据采集的开或关。该分布式光纤测温系统用高速A/D数据采集卡，能够满足光纤拉曼测温系统对稳定性、实时性以及高精度等的要求，且成本低，使用方便。
文档编号G01K11/32GK202267551SQ201120358519
公开日2012年6月6日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者吴志文 申请人:深圳太辰光通信股份有限公司