虚拟小信号高速采集＆数据累加器系统设计

李忠勤，刘远义，王培雷

（1.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院；2.黑龙江科技大学 信息网络中心，黑龙江 哈尔滨 150022）

分布式光纤传感器系统是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射信号、根据光时域反射原理和雷达工作原理来获取空间温度分布信息和空间定位信息的监控系统.[1-2]拉曼散射信号本身有用信号小，噪声很大、频带宽，这就需要将有用信号提取出来，从而提高传感器系统的测量精度.[3]虚拟小信号高速采集＆数据累加器应用在分布式光纤传感器系统中，是其重要的数据采集处理设备.

1 硬件电路设计

虚拟小信号高速采集＆数据累加器是基于虚拟仪器设计原理，利用计算机的控制接口实现数据采集管理与控制，系统由电路设计和计算机软件设计两部分组成.电路设计分三部分即：模拟前置电路与AD转换电路、可编程逻辑控制电路、计算机接口电路.虚拟小信号高速采集＆数据累加器电路设计原理框图如图1所示.

图1 原理框图

1.1 模拟前置电路与AD转换电路

模拟前置电路与AD转换电路如图2所示.

系统设计是双通道同步采集累加功能，模拟前置采用3个高速运算放大器进行处理，AD转换器本身是单极性信号，采用一个运算放大器进行偏置实现信号极性转换，满足AD转换的要求.

模拟前置电路信号送AD转换器通过逻辑控制实现AD转换，AD转换完成的数据送给FIFO，实现数据缓冲，通过计算机接口将数据读取到计算机.

1.2 可编程逻辑控制电路

可编程逻辑控制是通过大规模可编程逻辑器件实现的，主要实现的功能有系统地址译码、AD转换逻辑控制、双通道FIFO数据逻辑控制、计算机接口电路数据通讯逻辑控制等.100M晶体振荡器与大规模可编程逻辑器件连接实现AD转换100M速率转换，同时与双通道FIFO的同步时钟连接，实现100M数据的采集与数据存储.

1.3 计算机接口控制电路

系统设计采用PC104总线的计算机接口，将计算机的地址线 A9～A0、AEN、RD、WE、D7～D0与大规模可编程逻辑器件相接，大规模可编程逻辑器件可以进行地址译码、逻辑控制等，通过计算机软件程序实现系统数据的读取与控制.

2 软件设计

虚拟小信号高速采集＆数据累加器的电路能够实现小信号的高速采集，通过上层计算机软件能够最终的数据累加，同时计算机本身速度非常快，能够实现快速累加.软件设计的逻辑代码示例函数如下：

设置采样的触发频率函数

设置采样长度和累加次数.

读取双通道FIFO的状态，当采样启动后，FIFO半满一次，计算机读取一次数据.

计算机软件通过大数据量的读取能够实现将多次的数据累加，也就是通常所说的累加去噪声的方法，这样能够实现尽量去掉白噪声，提取出有用的小信号.

图2 模拟前置电路与A/D转换电路

3 结束语

虚拟小信号高速采集＆数据累加器在分布式光纤传感器系统的使用，无论从采集和累加速度、系统频带宽度、系统的噪声情况等都达到当前国内的先进水平，图3是使用虚拟小信号高速采集＆数据累加器的分布式光纤传感器系统的测温系统的8Km温度数据曲线.

曲线可以看出噪声情况是很好的，8Km时能达到±0.5℃的稳定性，可以说达到国内先进水平，虚拟小信号高速采集＆数据累加器必将在分布式光纤温度传感器领域广泛应用.

图3 8Km温度数据曲线

〔1〕何青尔,李永倩,王虎,李欢.时域反射型分布式光纤传感器性能比较及应用 [J].电力系统通信,2012(8).

〔2〕张小丽,陈乐,孙坚,郑坚璐.一种分布式光纤温度传感器的校准方法[J].自动化仪表,2011(12).

〔3〕黄祥,甘孝清,李强,曾祥进.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统应用研究[J].长江科学院学报,2013(2).