基于FPGA的分布式光纤测温系统

后 在上位机的命令下 ＮｉｏｓＩＩ 处理器把数据通过 Ｕａｒｔ 串口传送到上位机 本文中 对定制的 ＮｉｏｓＩＩ 处理器调用的各种模块 Ｔｉｍｅｒ Ｕａｒｔ ＤＩＯ 做 了许多测试和验证 在论文的附录中 也列出相关的软件代码 测试了 Ｄｓｐ
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模块和 ＮｉｏｓＩＩ 处理器之后 进行了总体的原理图的绘制 这些内容在第七 章中进行了详细的介绍
THE SYSTEM OF OPTICAL FIBER DISTRIBUTቤተ መጻሕፍቲ ባይዱD TEMPERRATURE
MEASUREMENT BASED ON FPGA
ABSTRACT
The optical fiber distributed temperature measurement which based on the fiber Raman backscattering system is a sensor system which measure real-time distributed temperature field of space. It is used as temperature sensor and transition medium by one optical fiber measuring temperature of optical fiber based on the temperature affect of Raman backscattering.It also calculates the position which is measued by OTDR. In this paper, on the principle of distributed fiber-optic temperature measurement system based on Raman scattering, combined with FPGA and NiosII embedded soft-core processor which are produced by Altera, one SOPC solution is advanc ed. According to the solution Cyclone III series EP3C25 produced by Altera in 2007 is adopted, Optical signals which is collected from the scene is transmitted to APD which transforms optical signals into electrical signals,through amplifier electrical signals which transforms into LVDS differential signal
报警中的应用
监测地铁 公路铁路隧道沿线的温度分布情况 进行灾情预报 对矿井下的生产设 施进行在线监测 u 其他应用 堤坝渗漏监测 油井温度测量 桥面 路面的温度监控 监测仓储库房或场地的温 １ 避免火灾和瓦斯爆炸 工业和民用建筑的火灾监控和报警
本系统主要侧重于数据的处理 传输及显示部分 数据的处理主要采用 了平均滤波算法 文中首先作了相关的理论验证 然后使用 Ｍａｔｌａｂ 的 Ｄｓｐ
Ｂｕｉｌｄｅｒ 工具和 ＱｕａｒｔｕｓＩＩ 软件对Ｄｓｐ 模块又作了相关的功能仿真和时序仿 真 充分验证了 Ｄｓｐ 模块的可行性和可靠性 在 Ｄｓｐ 模块完成数据的处理
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第 一 章 绪论
本章主要介绍了选取这个课题的目的及意义 分析了目前国内外在研究这个课题方 面的进展 然后提出了课题的研究目标
1.1 课题的目的及意义
分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统 它利用同 一根光纤作为温度信息的传感和传导介质 利用光纤后向拉曼散射光谱的温度效应测量 光纤所在的温度场信息 利用光纤的光时域反射技术对测量点进行定位 分布光纤温度 传感系统中的检测光纤不带电 抗射频和电磁干优 防燃 防爆 抗腐蚀 耐高电压和 强电磁场 耐电离辐射 能在有害环境中安全运行 能快速多点测量并定位 应用领域 十分广泛 u 电力 目前主要应用领域[3] 冶金行业中电力设备的温度监测应用
处理器所面临的速度问题 开发升级周期长和不可移植性等问题 使用上 位机软件进行数据的保存和显示 大大增强了人机交互功能 能够更加灵 活地对数据进行各种分析和汇总
关键词 拉曼散射 ＦＰＧＡ ＮｉｏｓＩＩ 处理器 Ｓｏｐｃ Ｂｕｉｌｄｅｒ Ｄｓｐ Ｂｕｉｌｄｅｒ
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高压输配电电缆 动力电缆沿线及接头的温度在线监测 高压开关柜静触头及一次 连接处温度在线监测 大型变压器内 外部温度监测 发电机 电动机及其他动力设备 的温度在线监测 u 石油 化工行业中的应用
输油管线 输气管线泄漏的在线监测 大型油 气密封贮罐的温度和渗漏监测 地 下洞穴的气体和油类储存状态的监控 u 交通运输行业中的应用 各种运输工具 u 火灾预防 火车 飞机 轮船等 敏感部位的温度监测 大型反应釜 热交换器的温度监控
太原理工大学 硕士学位论文 基于FPGA的分布式光纤测温系统 姓名：胡玉良 申请学位级别：硕士 专业：@ 指导教师：董冠军 @
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基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的分布式光纤测温系统 摘 要
基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场 分布的传感器系统 此系统主要是利用一根光纤作为温度信息的传感和传 导介质 利用光纤后向拉曼散射的温度效应和时域反射技术来测量光纤的
温度场信息以及对测量点进行定位
本论文在分析和研究分布式光纤测温原理的基础上 结合 Ａｌｔｅｒａ 公司 推出的 ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＩ 系列 ＦＰＧＡ 器件以及 ＮｉｏｓＩＩ 软核处理器 提出了一种具 有 Ｄｓｐ 处理器功能的 ＳＯＰＣ 解决方案 这种解决方案采用 Ａｌｔｅｒａ 公司 ２００７ 年推出的 ＣｙｃｌｏｎｅＩＩＩ 系列 ＥＰ３Ｃ２５ 从现场采集的两路信号经过 ＡＰＤ 转换成 电信号 经过放大器放大 送给模数转换器 ＡＤＣ０８Ｄ５００ 实现对光纤温度传 感器输出信号的高速数据采集 然后再转换为 ＬＶＤＳ 差分信号 在 ＮｉｏｓＩＩ 处理器的控制下 先缓存在 ＦＰＧＡ 内部的 ＦＩＦＯ 中 经过 ＦＰＧＡ 内部 Ｄｓｐ 硬件 电路处理后 再通过 Ｕａｒｔ 传输到电脑上进行显示和分析
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transmits data through Uart to PC. In this article, various modules (Timer, DIO) which are controled by NiosII processor are tested and verified.The relevant software code is listed in the appendix. After Dsp module and NiosII processor is tested, a general schematic is protracted; the content is described in detail in chapter 7. After processing and transmising data is verified, the software codes of computer are written in order to preserve and display data. These elements are described in detail chapter 6. According to the requirements of overall system, security and flexibility is also considered in the software. The highlight of the system is the usage of FPGA devices for data processing, the two advantage of being flexible and high-speed are combined. So it does better than other traditional Dsp processors which faced problems of being high-speed, non-reconfigurable hardware structure and long-term development period and non- migrationthe. The usage of PC software for data preservation and display greatly enhanced interactive features, more flexibility to conduct various kinds of data analysis and summary. KEY WORDS: Raman Backscattering, NiosII Processor, FPGA, Sopc Builder, Dsp Builder
再对数据的处理和传输验证之后 进行了上位机软件代码的编写 以此 来实现数据保存以及显示 总体系统的要求 这些内容在第六章都进行了详细的说明 根据 灵活性等等
也考虑了安全性
本系统的突出之处是使用 ＦＰＧＡ 器件来进行数据的处理 这样能够将软 件的灵活性和硬件的高速性完美地结合起来 从而较好地解决了传统 Ｄｓｐ
transmitted to the two-way parallel high-speed ADC08D500. Thus Output signal of fiber-optic temperature sensor is acquired under the control of two Nios II processors signals is saved in the internal FIFO of EP3C25, then these data is treated by internal Dsp processing modules circuitry of EP3C25. Eventually usful data is transmitted to the computer through the Uart. These data is analysed and displayed by the software on the computer.The system is mainly focused on data processing, transmission and display. Average filter algorithm is used by system for data processing, firstly the algorithm is proved right for the system, then Matlab's Dsp Builder tools and QuartusII software is used by Dsp module for functional simulation and timing simulation the feasibility and reliability of Dsp module is fully verified. After data is processed by Dsp module, in the order of PC, The NiosII processor ＩＩＩ