光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置及其应用的制作方法

本发明属于光纤传感领域，涉及高速数据采集技术，是一种用于分布式光纤振动传感系统的大数据量、实时的光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置及其应用。

背景技术：

分布式光纤传感系统以整条光纤为传感元件，利用光纤中的散射现象，可实现对传感光纤上待测物理量的连续分布式测量。当光纤受到应力作用时，光纤的长度（应变效应）、纤芯的直径（泊松效应）、纤芯折射率（光弹效应）都会变化，这些变化都会导致光纤中光波相位的变化。分布式光纤传感系统以整条光纤为传感元件，利用光纤中的散射现象，可实现对传感光纤上待测物理量的连续分布式测量。

分布式光纤振动传感系统采用φ-OTDR技术，注入到光纤中的光是高度相干的，是系统输出脉冲宽度区域内探测光在光纤中产生的后向瑞利散射光的干涉结果。通过发射脉冲光与接收后向瑞利散射光的时间延迟，φ-OTDR可以定位光纤某处的扰动。当光纤某个部位受到扰动时，由于弹光效应，该处的折射率将发生变化，从而导致该处光波的相位改变，由于干涉作用，光相位的变化将导致后向瑞利散射光光强发生变化，将相邻两个时刻的后向瑞利散射曲线相减即可检测与定位外界对光纤的扰动。

采集光纤中的干涉信号的变化规律是判断外界干扰行为的依据，信息量持续时间的长短和传送的速度直接影响后台解析，因此要准确、精准地解析信号，从而进行模式识别，需要一款高速、实时信号采集装置，传统的光纤振动传感系统通常采用市面上通用的采集卡，这样的采集卡一般存在以下缺点：（1）传输速度慢；（2）存储单元容量小，无法存储大量的现场数据，限制了系统的测量能力和数据实时采集传输能力。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种适用于长距离的光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置及其应用。

为解决现有技术中的不足问题， 本发明采用了如下的技术方案：

一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置，其特征在于设有超窄线宽激光器、光调制器、光放大器、环形器、传感光纤、滤波器、光电探测器、采集和传输装置以及PC机，其中超窄线宽激光器发出的连续光经过光调制器调制成脉冲光后，再经过光放大器放大，经环形器进入传感光纤，脉冲光在传感光纤中发生瑞利散射以及干涉，干涉光经环形器和滤波器进入光电探测器转化成电信号，电信号经过采集和传输装置进行数据采集和传输，最终将数据上传到PC机进行分析和显示。

本发明所述采集和传输装置设有ADC转换器、FPGA单元、DDR III存储器、PCIE接口，其中FPGA单元分别与ADC转换器、DDR III存储器、PCIE接口相连接，所述FPAG单元中设有ADC采集控制单元、数字信号处理模块、缓存模块、数据转运状态模块、DDR III存储器控制模块、DMA读控制模块、发送控制模块、配置信息采集及输出模块、接口转换模块、MSI中断缓存模块、DMA描述符模块、采集控制模块、采集卡参数控制模块、触发信号产生模块、RC_slave数据传输模块、PCIE硬核、触发选择模块。

进一步，所述的ADC采集控制单元与ADC转换器相连，控制并接收ADC转换器采集数据。

进一步，所述的数字信号处理模块与ADC采集控制单元相连，对ADC采集控制单元接收的数据进行数字信号处理，所述的数字信号处理主要是指累加求平均。

进一步，所述的缓存模块与数字信号处理模块相连，缓存所述的数字信号处理模块处理结束的数据。

进一步，所处的数据转运状态模块被用于控制缓存模块中的数据是通过何种方式传输至主机，所述的方式其中包括第一种方式是首先将数据存储至外部的DDR III SDRAM存储器中然后再以DMA方式通过PCIE接口将数据传输至主机；第二种是是以DMA方式直接将数据通过PCIE接口传输至主机。

进一步，所述的DMA读控制模块和发送控制模块共同实现了PCIE接口的DMA读传输方式。

进一步，所述的接口转换模块将Avalon-ST接收信号转换成Data/Descriptor接收信号，适合应用层根据投标对数据进行处理。

进一步，所述的MSI中断缓存模块，缓存发送控制模块向主机PCIE硬核发出的数据完成传输中断信号，待全部数据全部传输完成时，MSI中断缓存模块向系统发送中断信号数据。

进一步，所述的配置信息采集及输出模块，分别于PCIE硬核的配置信号线、发送控制模块和RC_slave传输模块相连，被用于接收PCIE硬核的配置空间的配置寄存器的内容，供发送控制模块和RC_slave传输模块使用；RC_slave传输模块可以更新PCIE硬核的配置空间中的高级错误报告能力寄存器组中的头标寄存器，以向主机系统报告通信错误。

进一步，所述的RC_slave传输模块与采集卡参数控制模块、DMA描述符模块相连，被用于普通数据传输的功能，其中包括对采集卡采集参数的设置数据和DMA传输方式的相关寄存器的设置。

进一步，所述的DMA描述符控制模块被用于接收发送控制模块或者主机系统发送的DMA传输方式的配置参数，启动DMA数据传输。

进一步，所述的采集卡参数控制模块被用于接收主机系统下发的采集卡参数的配置信息比如采样点数、累加次数、触发方式等信息。

进一步，所述的采集控制模块被用于控制ADC采集控制单元何时进行ADC转换器采集的数据接收。

进一步，所述的触发信号产生模块，根据主机系统下发的触发信号配置参数信息产生相应频率的触发信号。

进一步，所述的触发选择模块，根据主机系统下发的触发信号配置参数信息对采集系统的内外触发方式进行选择。

进一步，所述的PCIE硬核是FPGA芯片内部以硬核形式存在的IP核，通过合适的配置被用于实现PCIE传输协议。

进一步，所述的DDR III 存储器控制模块控制DDR III存储器的读写操作，所述的DDR III存储器用于存储经过数字信号处理模块处理完成的采集数据。

进一步，所述的ADC转换器被用于将模拟数据转换成数字数据。

本发明还提出了一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置的使用方法，其特征在于包括以下内容：

步骤S01，完成采集装置的各个功能单元模块的上电初始化；

步骤S02，初始化PCIE通信接口，完成PCIE通信接口的配置；

步骤S03，采集装置接收主机系统洗发的采集参数的配置信息，并完成采集装置的相关采集参数的配置；

步骤S04，ADC采集控制单元在触发信号和采集控制模块的控制下开始接收ADC转换器转换的数字数据并将数据传输至数字信号处理模块；

步骤S05，数字信号处理模块对接收的数据进行处理并传输至缓存模块缓存；

步骤S06，根据主机发送的采集参数配置信息确定是将缓存模块的数据直接通过DMA方式传输至主机系统还是转存至DDR III存储器中；

步骤S07，采集装置配置根据主机系统的要求配置好DMA通道；

步骤S08，DDR III存储控制模块将缓存模块中的数据存储至DDR III存储器中，全部数据传输完成之后，通过MSI中断缓存模块通知主机系统数据已经准备好，准备启动DMA通道传输；

步骤S09，采集装置启动DMA通道传输，将采集装置的数据通过PCIE接口传出至主机系统；

步骤S10，数据传输完毕，采集装置向主机系统发送MSI中断信号，通知主机系统数据已经传输完毕；

步骤S11，主机系统根据采集需要，通知采集装置是否继续新的采集，若继续采集则返回步骤S04，否则退出，采集装置进入空闲状态。

本发明具有以下优点：（1）本装置采用PCIE接口与主机进行通信，克服了传统的采集装置通信速率慢的缺点；（2）本装置采用数字信号处理模块抑制采集的数据中的噪声，提高采集装置的信噪比；（3）本装置采用DDR III存储器，可以实现大量的、实时的数据采集。

附图说明

附图1为本发明应用在分布式光纤振动系统的整体系统框图。

附图2为本发明的一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置的结构示意图。

附图3为本发明的一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置的工作流程图。

附图标记：超窄线宽激光器1、光调制器2、光放大器3、环形器4、滤波器5、光电探测器6、采集和传输装置7、PC机8、ADC转换器9、FPGA单元10、DDR III存储器11、PCIE接口12、ADC采集控制单元101、数字信号处理模块102、缓存模块103、数据转运状态模块104、DDR III存储器控制模块106、DMA读控制模块105、发送控制模块107、配置信息采集及输出模块108、接口转换模块109、MSI中断缓存模块110、DMA描述符模块112、采集控制模块113、采集卡参数控制模块114、触发信号产生模块116、RC_slave数据传输模块115、PCIE硬核111、触发选择模块117。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明应用在分布式光纤振动系统的整体系统框图

图2为本发明的一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置

如图1所示，超窄线宽激光器1发出的了连续光经过光调制器2调制成脉冲光经过光放大器3放大，经环形器4进入传感光纤，脉冲光在传感光纤中发生瑞利散射，得到背向瑞利散射光，不同位置的背向散射光会有重叠，因此会发生干涉，干涉光经环形器4和滤波器5进入光电探测器6转化成电信号，经过采集和传输装置7进行数据采集和传输，最终将数据上传到PC机8进行分析和显示。

采集和传输装置7就是本发明的一种光纤振动干涉信号实时数据采集与传输装置，如图2所示，包括依次相接的ADC转换器9、FPGA单元10、PCIE接口12、DDR III存储器11。

在本实施例中，PCIE接口12与FPGA单元10相连，通过PCIE接口12实现高速实时的数据采集和传输功能。

在本实施例中，FPGA单元10与DDR III11存储器相连，实现大容量的采集数据存储。

在本实施例中，FPGA单元内设置有ADC采集控制单元101、数字信号处理模块102、缓存模块103、数据转运状态模块104、DDR III存储器控制模块106、DMA读控制模块105、发送控制模块107、配置信息采集及输出模块108、接口转换模块109、MSI中断缓存模块110、DMA描述符模块112、采集控制模块113、采集卡参数控制模块114、触发信号产生模块116、RC_slave数据传输模块115、PCIE硬核111、触发选择模块117。

在本实施例中，采集控制单元101分别与ADC转换器1、触发选择模块117和数字信号处理模块102连接，接收触发选择模块117发出的触发信号控制并将ADC转换器转换1的数字数据传输至数字信号处理模块102。

在本实施例中，PCIE硬核111分别与RC_slave传输模块115、MSI中断缓存模块110、接口转换模块109、配置信息采集及输出模块相连108，可以实现PCIE接口的DMA方式和普通方式的数据传输。

在本实施例中，DMA读控制模块105与发送控制模块107、DDR III存储器控制模块111、数据转运状态模块104，完成缓存模块103中的数据或者DDR III存储器模块111中的数据直接通过DMA方式传输至主机系统。

在本实施例中，采集卡参数控制模块114与采集控制模块113、触发信号产生模块116、RC_slave传输模块115相连，接收主机系统下发的采集参数配置信息，控制触发信号产生模块116产生要求的触发信号，控制ADC采集控制单元101接收采集数据。

图3为本发明的一种高速实时采集传输装置的工作流程图。

下面通过图3将本发明的一种高速实时采集传输装置的工作过程详细的描述。

步骤S01，完成采集装置的各个功能单元模块的上电初始化。

步骤S02，初始化PCIE通信接口，完成PCIE通信接口的配置。

步骤S03，采集装置接收主机系统洗发的采集参数的配置信息，并完成采集装置的相关采集参数的配置

步骤S04，ADC采集控制单元在触发信号和采集控制模块的控制下开始接收ADC转换器转换的数字数据并将数据传输至数字信号处理模块。

步骤S05，数字信号处理模块对接收的数据进行处理并传输至缓存模块缓存。

步骤S06，根据主机发送的采集参数配置信息确定是将缓存模块的数据直接通过DMA方式传输至主机系统还是转存至DDR III存储器中

步骤S07，采集装置配置根据主机系统的要求配置好DMA通道。

步骤S08，DDR III存储控制模块将缓存模块中的数据存储至DDR III存储器中，全部数据传输完成之后，通过MSI中断缓存模块通知主机系统数据已经准备好，准备启动DMA通道传输。

步骤S09，采集装置启动DMA通道传输，将采集装置的数据通过PCIE接口传出至主机系统。

步骤S10，数据传输完毕，采集装置向主机系统发送MSI中断信号，通知主机系统数据已经传输完毕。

步骤S11，主机系统根据采集需要，通知采集装置是否继续新的采集，若继续采集则返回步骤S04，否则退出，采集装置进入空闲状态。

总之，本发明的实施例公布的是其较佳的实施方式，但并不限于此。本领域的普通技术人员极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。