基于FPGA的分布式拉曼光纤测温控制系统

发布时间：2017-07-19 06:08

  本文关键词：基于FPGA的分布式拉曼光纤测温控制系统

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【摘要】：分布式光纤测温是近些年来发展较为迅速的,用在监测一定环境下温度变化的技术。它不但具有测量速度快、测量范围广和测量距离可根据需求调节等优点,还因为光纤自身拥有优良的物理特性,有着很强的抗干扰和抗腐蚀能力,所以能够保证系统运行的稳定。也正是因为这项技术拥有的一系列优良特性与优点,所以近些年来分布式光纤测温技术在国内外获得了较大的发展,涉及到了工业生产、电能输送与国防军事等许多领域。本文主要是对基于后向拉曼散射效应的分布式光纤测温技术进行了一定的分析与研究,完成系统中的高速数据采集、处理和分析等部分的理论论述并确定了在现有前端拉曼模块的基础上,使用FPGA(现场可编程门阵列)搭建数据采集处理控制系统。通过对实际需求的分析,理清系统的整体框架,最终选定相应的AD模数转换芯片并绘制原理图和制作相应的PCB电路板。经过实际的设计输入在FPGA上实现诸如光电转换后信号的采集、对采集到的信号进行降噪处理以及数据传输等功能。选用使用ARM作为系统的上位机运行平台并使用Qt编写嵌入式Linux软件用于实现温度的解调以及最后的图形显示等必要功能。最后本文通过对整套后端数据采集控制系统进行的实际测试,在前端电路部分的工作正常之后,分析验证采集处理程序各个模块的工作情况,基本能够满足设计所要达到的目标。
【关键词】：RAMAN散射 模数转换 FPGA ARM 温度
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TH811
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 一、绪论8-11
• 1.1 选题背景及其研究意义8-9
• 1.2 分布式光纤测温技术国内外发展现状9-10
• 1.2.1 分布式光纤测温技术在国外的发展与现状9
• 1.2.2 分布式光纤测温技术在国内的起步发展与现状9-10
• 1.3 本文的主要内容与结构10-11
• 二、分布式拉曼测温系统的基本理论及其实现11-18
• 2.1 分布式拉曼测温系统理论依据11-14
• 2.1.1 光时域反射技术11-12
• 2.1.2 光纤中的后向散射效应12-13
• 2.1.3 拉曼散射基本原理13
• 2.1.4 自发拉曼散射的温度效应13-14
• 2.2 拉曼测温的系统结构14-16
• 2.2.1 拉曼测温的实现14-15
• 2.2.2 前端拉曼测温模块的性能与参数15-16
• 2.3 后端数据采集处理模块的指标16-17
• 2.4 本章小结17-18
• 三、数据采集硬件模块的设计及其实现18-26
• 3.1 模数转换模块的设计18-25
• 3.1.1 模数转换芯片的选型18-19
• 3.1.2 差分驱动器电路设计19-20
• 3.1.3 模数转换器配置电路设计20-21
• 3.1.4 模数转换器时钟信号电路设计21-22
• 3.1.5 模数转换器电源电路设计22-23
• 3.1.6 模数转换器的接地设计23-24
• 3.1.7 模数转换模块的实现24-25
• 3.2 数据采集模块的测试25
• 3.3 本章小结25-26
• 四、基于FPGA控制模块的设计及其实现26-42
• 4.1 FPGA模块的电路设计26-29
• 4.1.1 FPGA芯片的选型26-27
• 4.1.2 FPGA配置电路设计27-28
• 4.1.3 FPGA电源电路设计28
• 4.1.4 PLL滤波电路设计28-29
• 4.2 FPGA设计语言与开发流程29-30
• 4.2.1 FPGA开发环境软件与使用语言29
• 4.2.2 设计开发流程29-30
• 4.3 FPGA控制系统的实现30-40
• 4.3.1 模块的功能划分30-31
• 4.3.2 AD采集控制模块的实现31-32
• 4.3.3 系统控制模块的实现32-35
• 4.3.4 信号处理模块的实现35-40
• 4.4 FPGA控制模块的整体实现40-41
• 4.5 本章小结41-42
• 五、ARM上位机的实现与模块测试42-51
• 5.1 ARM开发板的选型42
• 5.2 ARM上位机程序设计42-45
• 5.2.1 ARM与嵌入式操作系统简介42-43
• 5.2.2 开发环境与软件结构43-44
• 5.2.3 上位机软件的实现44-45
• 5.3 信号降噪系统的验证45-46
• 5.4 温度信息的解调46-50
• 5.4.1 双路拉曼基本解调法46-48
• 5.4.2 加入损耗补偿的解调法48-50
• 5.5 本章小结50-51
• 六、总结与展望51-53
• 6.1 总结51
• 6.2 展望51-53
• 参考文献53-56
• 致谢56-57

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