基于FPGA的相位敏感振动传感系统设计

发布时间：2020-11-21 06:20

　　 随着我国经济的高速增长,信息化程度的不断加深,社会各行业对于传感器和传感系统的要求逐渐提高。而分布式光纤传感技术以光纤作为传感媒介,集传感与传输于一体,具备探测距离长、精度高、本质安全、抗干扰耐腐蚀等优点,在大型工程、航天航空、船舶行业及电力工业等领域中扮演了越来越重要的角色。相位敏感光时域反射仪,作为分布式光纤传感技术的一种,其对振动信号反应灵敏,单次测量即可获取整个光纤区域内的振动信息,从而辨析出振动事件的多项特征,因此在振动检测方面具有独特的优势。然而,随着传感距离的不断增加,探测指标的不断提升,带来了数据量庞大,处理速度局限等问题,制约了相位敏感光时域反射仪技术的进一步发展。针对上述问题,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位敏感振动传感系统设计,利用FPGA的架构优势,发挥其功能并行执行、灵活度高、处理速度快等优点,可显著提高相位敏感振动传感系统的数据吞吐量和处理速度,实时解调振动数据,对振动源位置进行定位。本文主要从以下几个方面展开研究:(1)理论分析光时域反射机理,阐述了实现振动信息解调的相关原理,并依此设计和搭建了相位敏感振动传感系统,同时对系统的关键性能参数进行分析。(2)分析了振动传感信号的数据特征,确定FPGA硬件电路实现方案,提出Synchronous Triggering波形采集方案以确保探测波形稳定采集,提出Pipeline Design信号处理方案以实现传感信号实时处理,提出Universal Serial Bus数据传输方案以完成振动数据高速传输。(3)设计并开发了基于MFC的上位机监控软件,对传感系统实现运行控制和数据分析,进行了数据云端存储功能设计,提高数据安全性,此外,还编写了图形化交互界面,并对软件性能实现优化,进行可靠性设计,确保软件能够长期稳定执行。(4)在此基础上,对系统的性能进行测试和分析,通过实验测定系统的传感距离、空间分辨率、定位误差以及频率响应等指标。同时,对系统进行集成化设计,搭建了工程样机,并将样机送往煤层气输送管线现场进行实地测试。研究表明,基于FPGA的相位敏感振动传感系统,能够实时检测到整个传感光纤中的振动状况,实现扰动行为的识别与预警,为在长传感距离、大探测范围下实现振动信号实时检测提供了一种新的解决方案。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TN791
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 相位敏感振动传感的研究现状
        1.2.2 FPGA在仪器设计中的研究现状
    1.3 本文的主要工作及结构安排
第二章 相位敏感振动传感基本理论与系统设计
    2.1 相位敏感振动传感基本理论
        2.1.1 光纤中的瑞利散射
        2.1.2 光时域反射机理
        2.1.3 振动信息解调原理
    2.2 相位敏感振动传感系统设计
        2.2.1 传感系统结构组成
        2.2.2 系统关键器件选型分析
    2.3 本章小结
第三章 基于FPGA的光纤振动传感数据采集、处理与传输
    3.1 FPGA技术概述
    3.2 分布式光纤振动传感的数据特征分析与FPGA硬件电路设计
        3.2.1 数据特征分析
        3.2.2 FPGA硬件电路设计
    3.3 振动传感数据的SynchronousTriggering波形采集方案
        3.3.1 多时钟域同步设计
        3.3.2 全局同步信号设计
        3.3.3 A/D采集模块设计
    3.4 振动传感数据的PipelineDesign信号处理方案
        3.4.1 周期开端标定
        3.4.2 DDR2 控制逻辑设计
        3.4.3 数据缓存机制设计
        3.4.4 基于流水线设计的解调算法实现
    3.5 振动传感数据的UniversalSerialBus数据传输方案
        3.5.1 USB3.0 规范介绍
        3.5.2 基于EZ-USBFX3 的外设控制器设计
        3.5.3 FPGA与 FX3 的连接
    3.6 本章小结
第四章 基于MFC的上位机监控软件开发
    4.1 MFC技术概述
    4.2 上位机监控软件方案设计
    4.3 传感系统运行控制与数据分析
        4.3.1 USB主机程序
        4.3.2 振动特征提取
    4.4 数据云端存储功能设计
        4.4.1 接入数据库
        4.4.2 数据库操作
    4.5 图形化交互界面设计与性能优化
        4.5.1 基于Tee Chart的数据结果显示
        4.5.2 基于多线程设计的性能优化
        4.5.3 可靠性设计
    4.6 本章小结
第五章 实验结果分析与现场工程测试
    5.1 系统性能测试与分析
        5.1.1 有效传感距离测试实验
        5.1.2 空间分辨率测试实验
        5.1.3 定位误差测试实验
        5.1.4 频率响应测试实验
    5.2 系统集成与现场测试
        5.2.1 传感系统集成及样机设计
        5.2.2 煤层气输送管线现场测试
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
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本文编号：2892666