基于fpga的快速寻峰方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于FPGA的快速寻峰方法及系统，方法包括：获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号；通过FPGA模块控制高速A/D对电信号进行并行多通道高速A/D采样，取得多个通道的高速A/D数据并锁存；对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算；对经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序；通过FPGA模块对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储。本发明利用FPGA可实现多通道光纤光栅的并行快速寻峰。
【专利说明】基于FPGA的快速寻峰方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤光栅传感【技术领域】，尤其涉及一种基于FPGA的快速寻峰方法及系统。
[0002]_
【背景技术】
[0003]随着光纤光栅在各行业的应用越来越普及，光纤光栅解调仪表使用量越来越大，在许多高速应用场合需要高精度、高速、多通道的光纤光栅解调仪表，不仅需要高精度波长解调，更需要高速的解调。
[0004]传统的光纤光栅解调仪表普遍采用CPU作为解调器件，使用C语言实现算法，其优点是实现快、修改方便；但是，CPU属于顺序控制器件，且由于指令响应周期的影响，在高速和多通道解调方面应用存在障碍。
[0005]当然，也有使用FPGA解调的，但其采用的方法过于简单，如使用FPGA配合模拟电路进行预置比较的，这样的解调算法无法发挥FPGA的优势和提高光纤光栅仪表的解调精度。
[0006]现有的寻峰算法分为两类:一类以CPU作为处理器实现解调的，其特点是实现简单，操作方便，但存在严重的速度和通道瓶颈；另一类是利用FPGA完成采样，后续再用CPU进行解调，这样只是简单的利用了 FPGA高速接口能力，并未对其有充分的利用，在多通道和高速应用场合，该方法依然存在较大的技术瓶颈。
[0007]FPGA拥有并行处理的优势，其巨大的逻辑资源可以实现解调算法的并行处理和流水处理，鉴于这一点，本方法提出一种完全由FPGA实现的数字寻峰算法，其采样、存储、峰值寻找和峰值计算全部由FPGA实现，并通过多通道并行处理和流水线算法使得处理速度提供了几个数量级。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中光纤光栅解调仪表解调信号效率较低，精度不够高的缺陷，提供一种多通道高速、高精度解调的基于FPGA的快速寻峰方法及系统。
[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种基于FPGA的快速寻峰方法，包括以下步骤:
51、获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电
信号;
52、通过FPGA模块控制高速A/D对电信号进行并行多通道高速A/D采样，取得多个通道的高速A/D数据并锁存；
53、通过FPGA模块对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算；
54、通过FPGA模块对经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序；
S5、通过FPGA模块对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储。
[0010]本发明所述的方法中，步骤S4中峰值初判具体包括:
接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值；
以该最大值为顶点向下延伸预设值，取得基准值，大于该基准值的则记录为一个峰值；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿；
获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0011]本发明所述的方法中，步骤S4中峰值初判具体包括:
获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿；
横坐标位置跳跃预设值，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿；
判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0012]本发明所述的方法中，步骤S5具体包括:
读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据；
设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据
Y；
将读取的纵坐标累加获得数据T ；
计算Y/T，比值为峰值位置的精确值。
[0013]本发明所述的方法中，多通道高速A/D采样时，各个通道采用统一的时钟工作，同步采样。
[0014]本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是:
提供一种基于FPGA的快速寻峰系统，包括:
光电转换模块，用于获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号；
并行多通道高速A/D采样电路，用于对电信号进行并行多通道高速A/D采样；以及 FPGA器件，该FPGA器件包括:
采样控制电路，用于控制并行多通道高速A/D采样电路对电信号进行并行多通道高速A/D采样，以取得多个通道的高速A/D数据并锁存；
平滑滤波运算模块，用于对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运
算；
峰值初判模块，用于将经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值前后沿的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序； 精确峰值获取模块，用于对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储。
[0015]本发明所述的系统中，所述峰值初判模块具体包括:
最大值模块，用于接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值；
判断模块，用于以该最大值为顶点向下延伸预设值，取得基准值，大于该基准值则记录为一个峰值；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿；
前后沿数据获取模块，用于获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序；
或者，所述峰值初判模块具体包括:
上升沿判断模块，用于获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿；
下降判断模块，用于在横坐标位置跳跃预设值后，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿；
前后沿数据获取模块，用于判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0016]本发明所述的系统中，所述精确峰值获取模块具体用于读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据；设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据Y ;将读取的纵坐标累加获得数据T ;计算Y/T，比值为峰值位置的精确值。
[0017]本发明所述的系统中，所述并行多通道高速A/D采样电路在各个通道上采用统一的时钟工作，同步采样。
[0018]本发明所述的系统中，所述并行多通道高速A/D采样电路与FPGA器件之间采用并行接口连接，每个通道的A/D采样电路与FPGA器件之间设有独有的通信接口。
[0019]本发明产生的有益效果是:本发明通过FPGA的并行处理能力，实现多通道光纤光栅的并行解调，提高光纤光栅解调的瞬时效应；通过初值判断，可以找到峰值的上下沿数据，对上下沿数据再进行加权平均计算，从而快速获得峰值位置的精确值。本发明使用FPGA的多模块流水算法，数据流高速运转，可以实现高速光纤光栅的快速寻峰。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
图1是本发明实施例基于FPGA的快速寻峰方法的流程图；
图2是本发明实施例并行多通道高速A/D采样的流程图；
图3是本发明一个实施例峰值初判的示意图一；
图4是本发明一个实施例峰值初判的示意图二；
图5是本发明另一个实施例峰值初判的示意图；
图6是本发明实施例获得峰值位置的精确值的流程图；
图7是本发明实施例基于FPGA的快速寻峰系统的流程图。【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022]本发明实施例基于FPGA的快速寻峰方法可实现多通道光纤光栅的并行解调，提高光纤光栅解调的瞬时效应；使用多模块流水算法，数据流高速运转，可以实现高速光纤光栅的解调。
[0023]本发明实施例基于FPGA的快速寻峰方法，如图1所示，包括以下步骤:
S1、获取各个光纤光栅通道(涵盖了标准通道和多个光纤光栅通道)上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号；当光纤光栅解调仪表输出扫频激光时，标准通道和各个光栅通道上的光纤光栅会反射特定波长的光信号。
[0024]S2、通过FPGA模块控制高速A/D对电信号进行并行多通道高速A/D采样，取得多个通道的高速A/D数据并锁存。
[0025]S3、通过FPGA模块对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算；
54、通过FPGA模块对经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序；
55、通过FPGA模块对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储，可按照通道号顺序排列峰值位置，排列完后发送中断，提示处理器读出数据。
[0026]本发明的一个实施例中，如图3和图4所示，步骤S4中峰值初判具体包括:
接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值；峰值判断随时钟运行，可采用流水方
式实现。其判断原则是:设置当前值为0，当有值大于当前值时，赋值给当前值，流水完成时，取得本次最大值；
以该最大值为顶点向下延伸预设值，如向下延伸I 5 d B (光功率换算)，如图3所示，取得基准值，大于该基准值则记录为一个峰值，小于基准值的不做判断；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿；获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0027]本发明的另一实施例中，如图5所示，步骤S4中峰值初判具体包括:
获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿；
横坐标位置跳跃预设值，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿；
判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0028]本发明的一个实施例中，如图6所示，步骤S5具体包括:
读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据； 设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据
Y；
将读取的纵坐标累加获得数据T ；
计算Y/T，比值为峰值位置W (质心点)的精确值。
[0029]本发明实施例中，多通道高速A/D采样时，各个通道采用统一的时钟工作，同步采样，确保所有通道的数据等相位。
[0030]本发明实施例基于FPGA的快速寻峰系统，如图7所示，包括:
光电转换模块10，用于获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号；
并行多通道高速A/D采样电路30，用于对电信号进行并行多通道高速A/D采样；以及 FPGA器件20，该FPGA器件20包括:
采样控制电路21，用于控制并行多通道高速A/D采样电路30对电信号进行并行多通道高速A/D采样，以取得多个通道的高速A/D数据并锁存；采样控制电路21主要由FPGA内部的高速I/O 口和存储器实现；
平滑滤波运算模块22，用于对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算；对所有通道同时进行数据平滑处理的方式可为三角加权平滑处理方式，其平滑阶次可调该平滑滤波运算模块主要由FPGA内部的移位寄存器和累加器实现。
[0031]峰值初判模块23，用于将经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值前后沿的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序；该峰值初判模块主要由FPGA自带的数字信号处理和存储器实现。
[0032]精确峰值获取模块24，用于对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值(质心点)并存储，可由FPGA自带的数字信号处理和存储器实现。
[0033]本发明的一个实施例中峰值初判模块23具体包括:最大值模块，用于接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值；
判断模块，用于以该最大值为顶点向下延伸预设值，取得基准值，大于该基准值则记录为一个峰值；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿；
前后沿数据获取模块，用于获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0034]本发明的另一个实施例中峰值初判模块具体包括:
上升沿判断模块，用于获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿；
下降判断模块，用于在横坐标位置跳跃预设值后，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿；
前后沿数据获取模块，用于判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
[0035]本发明的一个实施例中，精确峰值获取模块具体用于读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据；设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据Y ;将读取的纵坐标累加获得数据T;计算Y/T，比值为峰值位置的精确值。
[0036]本发明的一个实施例中，并行多通道高速A/D采样电路在各个通道上采用统一的时钟工作，同步采样，确保所有通道的数据等相位。
[0037]并行多通道高速A/D采样电路与FPGA器件之间采用并行接口连接，每个通道的A/D采样电路与FPGA器件之间设有独有的通信接口，确保F P G A能够同步接收多个通道得到数据。
[0038]上述系统应用在光纤光栅解调仪中可以大大提高解调速度。
[0039]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于FPGA的快速寻峰方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号; 52、通过FPGA模块控制高速A/D对电信号进行并行多通道高速A/D采样，取得多个通道的高速A/D数据并锁存； 53、通过FPGA模块对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算； 54、通过FPGA模块对经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序； 55、通过FPGA模块对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中峰值初判具体包括: 接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值； 以该最大值为顶点向下延伸预设值，取得基准值，大于该基准值则记录为一个峰值；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿； 获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。`
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中峰值初判具体包括: 获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿； 横坐标位置跳跃预设值，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿； 判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括: 读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据； 设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据Y; 将读取的纵坐标累加获得数据T ； 计算Y/T，比值为峰值位置的精确值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多通道高速A/D采样时，各个通道采用统一的时钟工作，同步采样。
6.一种基于FPGA的快速寻峰系统，其特征在于，包括: 光电转换模块，用于获取各个光纤光栅通道上的光纤光栅所反射特定波长的光信号，并将其转换为电信号； 并行多通道高速A/D采样电路，用于对电信号进行并行多通道高速A/D采样；以及 FPGA器件，该FPGA器件包括: 采样控制电路，用于控制并行多通道高速A/D采样电路对电信号进行并行多通道高速A/D采样，以取得多个通道的高速A/D数据并锁存； 平滑滤波运算模块，用于对获取的多个通道的高速A/D数据进行并行的平滑滤波运算； 峰值初判模块，用于将经过平滑滤波后的数据进行峰值初判，当符合预设峰值要求时，获取该峰值前后沿的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序； 精确峰值获取模块，用于对获取的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据进行加权平均计算，获得峰值位置的精确值并存储。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述峰值初判模块具体包括: 最大值模块，用于接收一个通道的采样数据，找到该通道的最大值； 判断模块，用于以该最大值为顶点向下延伸预设值，取得基准值，大于该基准值的记录为一个峰值；当采样数据顺序上升且高于基准值时，表示峰值的上升沿，顺序下降且高于基准值时，表示峰值的下降沿； 前后沿数据获取模块，用于获取峰值上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序； 或者，所述峰值初判模块具体包括: 上升沿判断模块，用于获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续上升，则判断其为峰值的上升沿； 下降判断模块，用于在横坐标位置跳跃预设值后，再获取预设个数的连续采样值，若其幅值连续下降，则判断其为峰值的下降沿； 前后沿数据获取模块，用于判断该峰值的上升沿和下降沿之间的最大值减去预设值后是否大于所有多通道高速A/D采样数据的最大值，若是，则获取该峰值的上升沿起点和下降沿终点之间的所有采样数据，并记录峰值通道号以及峰值顺序。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述精确峰值获取模块具体用于读取同一通道的一组上升沿起点至下降沿终点数据；设置上升沿起点横坐标为零，将读取的纵坐标与对应的横坐标相乘并累加获得数据Y ;将读取的纵坐标累加获得数据T ;计算Y/T，比值为峰值位置的精确值。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述并行多通道高速A/D采样电路在各个通道上采用统一的时钟工作，同步采样。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述并行多通道高速A/D采样电路与FPGA器件之间采用并行接口连接，每个通道的A/D采样电路与FPGA器件之间设有独有的通信接口。
【文档编号】G01R29/02GK103604449SQ201310566925
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2013年11月15日
【发明者】宋珂, 董雷, 王丹, 印新达 申请人:武汉理工光科股份有限公司