本发明涉及一种机载测量条件下的云粒子信号采集与数据传输装置及方法，特别是一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法，用于机载条件下对云中小云粒子的光学散射信号进行高速采集和信号算法处理、仪器与计算机之间相互数据的高速传输。
背景技术：
近年来，随着我国气象事业的不断发展，飞机测量在大气物理与人工影响天气研究中起着越来越重要的作用。利用飞机携带观测仪器进行云微物理量的测量已经成为了云微物理和人工影响天气研究的一种重要的技术手段。机载云微物理测量同时也能为卫星、雷达和微波等遥感观测提供重要的验证手段。目前，机载云降水粒子测量技术主要利用云降水粒子对激光的遮挡导致激光直射光强的衰弱或者对激光散射导致某一角度的光散射信号的强度发生变化，通过建立激光光学信号强度与云降水粒子粒径尺度的对应关系，实现通过采样激光光强变化的信号，获取云降水粒子尺度。由于机载测量的快速性、云降水粒子的微尺度特性以及高密度的云环境，再加上机载测量环境的恶劣，导致对这一瞬变微弱的光信号进行准确采样充满了挑战。
机载高速飞行下的微物理尺度测量决定了仪器信号响应与采集的快速性。现有技术中，常用的高速信号采集方法是采用高速数字信号采集卡，但利用采集卡需要与工控机结合，灵活性差、使用场合受限很大且价格相当昂贵。为突破现有技术的局限，本发明利用FPGA技术的快速响应特性以及资源的丰富性，实现了对这一微弱瞬变的信号的高速采集和处理，并将其传往上位机进行显示和存储。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够对微弱瞬变的光信号进行实时采集处理并与计算机进行通讯和数据的高速传输的系统装置。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种云粒子信号采集处理和数据传输装置，包括模拟量采集单元、FPGA处理器、串口通信模块、时钟生成模块、电源模块，其中模拟量采集单元、FPGA处理器和串口通信模块依次连接，所述的串口通信模块与外部上位机连接；所述模拟量采集单元、时钟生成模块、电源模块和串口通信模块一端分别与FPGA处理器连接；所述模拟量采集单元包括光电信号转换模块、信号处理模块和AD转换模块，所述的信号处理模块和AD转换模块连接；所述AD转换模块与FPGA处理器连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述时钟发生模块连接有有源晶振，利用有源晶振生成系统时钟输入FPGA，并由FPGA分频输出采样时钟作为AD转换的采样工作时钟。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光电信号转换模块采用基于运算放大器的阻抗放大电路方案，利用运算放大器的宽带宽，实现对高速光电信号的快速响应。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号处理模块包括信号放大滤波整形电路和单端变差分信号电路，利用信号放大滤波整形电路实现对微弱信号的放大、噪声的滤除以及信号的整形，而单端变差分信号电路可提高信号的抗共模干扰能力，降低噪声对信号的影响。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的AD转换模块采用双路12位的高速AD转换器AD9238。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的时钟发生模块采用的有源晶振频率为50MHz。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的光电信号转换的运算放大器采用OPA657。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号放大电路的运算放大器采用LT6203。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的单端变差分信号的运算放大器采用AD8138。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的串口通信模块与外部上位机通过RS232串口通讯协议连接，实现两者之间相互数据的传递。
作为本发明的一种优选技术方案：所述的FPGA处理器采用ALTERA公司Cyclone II系列的EP2C35F672C8。
一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置的方法，包括以下步骤：
步骤1，将云粒子散射光信号经由传感器感知后输入光电转换后转化为电压信号输出；
步骤2，转化后的电压信号输入信号处理模块进行放大、滤波、整形等处理后，再输入差分运算放大器转化为差分信号输出至AD转换模块；
步骤3，AD转换模块在采样时钟作用下对接收到的差分信号进行实时采样，将其转化为数字信号后输出至FPGA处理器；
步骤4，FPGA处理器在工作时钟作用下对接收到的数字信号进行处理，并对信号处理结果进行初步的统计和存储；
步骤5，FPGA处理器在收到外部上位机通过串口通信模块发送的数据发送指令后，会通过串口通信模块将统计和存储的数据以一定的数据格式传输给外部上位机进行数据处理、显示和存储。
本装置的基本工作原理是：接收到的云粒子散射光信号首先经过光电转换电路转换为电信号，再经放大处理后，输入单端信号转化为差分信号输出电路输出且使其差分信号幅度在ADC高速信号采集器输入的电压范围内，ADC高速信号采集器在采样时钟的作用下对接收到的差分信号进行实时采样将其转化为数字信号然后输出至FPGA处理器，FPGA处理器在采样时钟的上升沿开始同步接收ADC高速信号采集器的数字信号，并对接收到的数字信号进行比较处理，同时利用查找表的方法，将经比较处理后的信号与粒子粒径对应起来，最后将信号处理结果通过串口通信模块发送给机舱内的上位机进行进一步的数据处理。ADC高速信号采集器采样时钟和FPGA处理器的工作时钟皆由系统时钟经过分频处理获得且为同频同相，即ADC高速信号采集器和FPGA处理器是在同一时钟作用下进行工作，这样保证了系统的同步性。FPGA处理器通过串口同时接收机舱内上位机的数据传输指令，并将统计后的信号数据经由串口传回上位机来实时显示和存储。
本发明是在FPGA处理器的控制下可以实现对云粒子的散射光信号的高速采集和处理并将处理结果通过串口RS232协议送至计算机，从而实现对云中粒子的粒子谱等微物理信息的实时测量。本装置采用正负电源给运放供电，同时采用差分运放的方式将接收单端信号转换为差分信号，送给ADC进行采集，这样通过差分方式可以抑制共模干扰，大大提高信号质量和数据的准确性。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法的结构框图。
图2为本发明的一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法的硬件结构示意图。
图3为本发明的一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法的信号处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明设计了一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置，包括用于云粒子信号采集的模拟量采集单元、时钟发生模块、FPGA处理单元、串口通信模块、电源模块，其中模拟量采集单元、FPGA处理单元、串口通信模块依次连接；所述串口通信模块与外部上位机连接；所述时钟发生模块、电源模块一端与FPGA处理单元连接；所述的模拟量采集单元包括光电信号转换模块、信号处理模块、AD转换模块；所述的AD转换模块与FPGA处理单元连接；将云粒子散射的光信号经过光电转换电路转换为电压信号，该电压信号经过信号处理模块处理后转换为峰峰值不超过2V的差分信号，该差分信号又被输入AD转换模块；AD转换模块在采样时钟作用下对接收到的差分信号进行实时采样，将其转化为数字信号后输出至FPGA处理单元；FPGA处理单元在工作时钟的作用下，对接收到的数字信号进行处理；所述FPGA处理器同时接收外部上位机的数据输出指令，并将处理结果通过串口通信模块传送到外部上位机进行数据处理、显示和存储。
本发明的基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置，结构如图2所示，包括FPGA处理器为Cyclone II的EP2C35F672C8、AD转换模块所选用的AD转换芯片为双路输入的12位AD9238、光电转换模块的芯片选用运算放大器OPA657、信号处理芯片选用运算放大器LT6203、差分运算放大器为AD8138、RS232收发器为MAX232、时钟发生器采用50MHz的有源晶振。
本发明的工作过程如图2、图3所示，具体为：
(1)首先，光电转换电路将光电传感器感知到的光学信号转换为电压信号，然后输出进信号处理模块，信号处理模块对该电压信号进行放大、滤波和整形后再转化为差分信号，然后将差分信号输出至AD转换模块；AD转换芯片AD9238对输入的模拟信号在20MHz采样时钟的采样下转化为数字信号并通过12位数据线传输至FPGA处理器中进行处理。FPGA处理器首先在与采样时钟同频的工作时钟工作下对接收到的双路高速AD信号的二进制补码数据进行比较处理和统计，并将统计结果临时存储在FPGA处理器中的寄存器中等待数据发送，数据发送过程中是在接收到上位机的发送指令后立即将存储的数据经由串口发送至上位机进行处理、显示和存储。
(2)50MHz的有源晶振的系统时钟首先输入FPGA处理器，经过FPGA分频后，生成两路20MHz的时钟信号，一路作为AD转换模块中AD9238的采样时钟，另一路作为FPGA处理器的工作时钟。
(3)FPGA处理器通过串口接收来自外部上位机的发送数据控制指令，再接收到数据发送指令后，FPGA立即将其存储器中的数据统计量以一定的数据格式经由串口传送至外部上位机进行处理、显示和存储。
(4)整个装置采用+28V供电系统，通过两块直流稳压电源模块V28A5降压生成+5V和-5V两路直流稳压电源供光电转换电路模块和信号处理电路模块使用，此外，+5V的电源还经由线性稳压器LT1764生成3.3V电源供FPGA模块、AD转换模块和串口通信模块使用。
因此本发明的云粒子信号采集和数据传输装置能满足对云粒子散射光信号的采集处理和与计算机通信的技术要求，具有结构简单、稳定可靠、操作方便的优点，非常适合于机载云粒子测量中的信号采集处理和与上位机通信部分的实现。