【文章內(nèi)容簡介】 ，傳感光纖和傳輸光纖均為單模光纖。其中兩條單模測試光纖構(gòu)成馬赫 增特光纖干涉儀，用于檢測周界附近的振動信號 。信號傳輸光纖主要用于傳輸光波和測試的光波相位調(diào)制信號。分布式光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、光隔離器、光源驅(qū)動和保護(hù)電路、光電探測器和信號調(diào)理電路組成。光源主要用于向分布式光纖微振動傳感器中發(fā)射光波。光源采用一個半導(dǎo)體激光二極管，光源產(chǎn)生的光波為連續(xù)光波，其頻率為光源本身的固有頻率。光隔離器主要是用來隔離光纖中的反射光向光源中傳輸。光源驅(qū)動電路中，通過一個光電二極管監(jiān)視半導(dǎo)體激光器的功率的輸出并產(chǎn)生控制信號，同時采用功率自動控制電路調(diào)整激光器的驅(qū)動電流，保持光源輸出的功率恒定。光源保護(hù)電路主要由光源慢啟動保護(hù)、光 源過流保 護(hù)和反向沖擊電流保護(hù)電路組成，以防止光源的損壞，使光源長期穩(wěn)定、可靠地工作?！植际焦饫w微振動檢測系統(tǒng)的光電檢測電路采用高靈敏度的光電二極管，檢測來自傳感器的信號。通過光電檢測器可以將分布式光纖傳感器中的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并以電壓的形式輸出。為了能使數(shù)字信號處理器更好地分析光纖傳感器中采集的信號，設(shè)計了一個信號調(diào)理電路，包括抗混疊濾波電路和一個主放大器，將光電探測電路產(chǎn)生的電壓值濾波后進(jìn)一步放大，以獲得適合數(shù)字信號處理器分析的電壓值。 、信號調(diào)理電路 光纖傳感器的光電探測器完成測試信號的光電 轉(zhuǎn)換后，獲得了周界周圍的環(huán)境情況的電信號，但是此時的測試信號中仍含有一部分噪聲電壓，需要采用濾波電路對測試信號進(jìn)行處理，降低噪聲對有用信號的影響，使數(shù)字信號處理器能夠?qū)Ψ植际焦饫w傳感器采集的電壓進(jìn)行更好地分析。因為光電探測電路要考慮到很多的限制因素，特別是增益和噪聲間的互相制約，所以在光電探測電路的輸出電壓值并不是很高，需要通過后續(xù)的主放大器的進(jìn)一步放大，才能使得 DSP 系統(tǒng)更好地分析處理得到的電壓信號。 根據(jù)奈奎斯特理論，采樣頻率的高低是由被采樣的信號本身的最高頻率決定的。奈奎斯特理論指出，采樣頻率應(yīng)高于模 擬信號最高頻率的兩倍，才能把以數(shù)字表達(dá)的信號還原成原來的信號。在進(jìn)入 DSP 進(jìn)行數(shù)字信號處理之前，首先要經(jīng)過抗混疊濾波，消除混疊失真小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中， DSP 的 AD 轉(zhuǎn)換設(shè)置的采樣率為 50K，系統(tǒng)中設(shè)計一個低通濾波電路，其截止頻率為 25K。由于光纖埋設(shè)于土壤中，很少會有 25K 以上的高頻信號傳播到光纖中，系統(tǒng)設(shè)計時采用了二階低通濾波電路，它的衰減度為 40dB／十倍頻，可以滿足設(shè)計要求。 小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了一個信號調(diào)理器，其中包括一個電壓跟隨器和一個截止頻率為 25KHz 的二階低通濾波器。電壓跟隨器可以提高輸入 阻抗，并且降低輸出阻抗，有利于與后一級信號耦合。電壓跟隨和低通濾波電路。 、 DSP 信號處理 、 DSP 系統(tǒng) 信號的實時變換采集和分析處理是小區(qū)遠(yuǎn)程報警系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，由于小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集量大，需要分析處理的數(shù)據(jù)量大。隨著數(shù)字計算機(jī) 的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展。數(shù)字信號處理技術(shù)通常將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過高效的數(shù)字信號處理器或計算機(jī)對測試信號進(jìn)行處理，將有用的測試信號從噪聲中提取出來，消除噪聲對信號的影響。相對于傳統(tǒng)的模擬信號處理手段，數(shù)字信號處理具有精度高 ，靈活性強(qiáng)，抗干擾，可靠性高等特點(diǎn)。在實際的信號測試應(yīng)用中，數(shù)字信號處理技術(shù)通常采用硬件和軟件結(jié)合的方式對信號進(jìn)行處理。一般先通過模擬濾波電路對測試信號行抗混疊濾波，再通過 A／ D 轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到數(shù)字信號處理器或計算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。為了能夠正確地選擇數(shù)字信號處理的手段和方法，設(shè)計小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之前，首先進(jìn)行了測試實驗。測試實驗內(nèi)容為：采用光功率為 0． 2mW 的光源，在實驗室附近埋設(shè)一段長度約 200 米的光纖，埋設(shè)深度約為10 厘米。人在光纖上方活動，模擬有人進(jìn)行破壞小區(qū)生產(chǎn)的事件發(fā)生 ，利用美國國家儀器公司 (NI)的數(shù)據(jù)采集卡收集分布式光纖傳感器采集的電壓信號，并對它進(jìn)行了數(shù)字濾波處理。 ⑴ .數(shù)字信號處理器 TMS320F2812 芯片 TMS320F2812 芯片是一款 32 位的定點(diǎn) DSP 芯片，采用高性能的靜態(tài) CMOS 技術(shù)，主頻達(dá)到 150MHz(時鐘周期 6． 67ns)． FLASH 編程電壓為 3． 3V，內(nèi)核電壓為 1． 8V，擁有 16x16 位和 32x32 位的乘法累加操作，哈佛總線結(jié)構(gòu)， 4MB 的程序／數(shù)據(jù)尋址空間。 TMS320F2812 芯片的片內(nèi)有 128Kxl6 位的 FLASH 存儲器，1Kxl6 的 OTPROM， 2 個 4K 字節(jié)的 SARAM(L0 和 LI)， 1 個 8K 字節(jié) SARAM(H0)， 2個 1K 字的 SARAM(M0 和 M1)，內(nèi)置一個 12位的帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器有 16 個轉(zhuǎn)換通道，可配置 2個獨(dú)立的 8通道模塊，最高采樣頻率為12． 5MHz。對于每個通道而言，一旦 ADC 轉(zhuǎn)換完成， DSP 把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到結(jié)果寄存器 (ADCl 也 SULT)中。 AD 轉(zhuǎn)換器有兩個采樣保持電路，流水線最快轉(zhuǎn)換周期為 60ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為 200ns．并且可以使用兩個時間管理器順序觸發(fā)8 對模數(shù)轉(zhuǎn)換。 TMS320F2812 芯片有兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個事件管理器包括兩個 16 位通用定時器， 6 個脈寬調(diào)帶 0(PWM)通道， 3 個輸入捕捉和 3 個輸出比較單元，通過鎖相環(huán) (PLL)控制 DSP 內(nèi)核工作頻率，經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻或分頻后提供給 DSP 內(nèi)核。 ⑵ .電源電路 電源直接決定著 DSP 的正常供電，在 TMS320F2812 芯片中的電源引腳 (CPU， I／ O， PLL， FLASH 以及模擬電路電源引腳 )都要連接到各自的供電電源上，否則系統(tǒng)無法正常工作。設(shè)計時要將模擬地和數(shù)字地分開。該 DSP 芯片的 I／ O端口為 3． 3V，內(nèi)核為 1． 8V。在設(shè)計 3． 3V 電源時，系統(tǒng)采用 TPS75733 電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。圖 為 DSP3． 3V 的電源電路的設(shè)計。 1． 8V 的電壓設(shè)計原理與 3． 3V相近，所采用的電壓調(diào)節(jié)器芯片為 TPS76801Q。 R 1 24 . 7 K+ 5 VU 8I NF B / P GE NT P S 7 5 7 3 3O U T P U TG N D+ 3 . 3 VC 34 7 u fC 50 . 1 u f 圖 ． 3V 的電源電路的設(shè)計 ⑶ .復(fù)位電路 復(fù)位電路的正確與否直接影響 DSP 系統(tǒng)上電后能否正常初始化。在電源剛上電時， TMS320F2812 芯片應(yīng)處于復(fù)位狀態(tài)，其復(fù)位管腳為低，使芯片復(fù)位。本系統(tǒng)采用專門應(yīng)用于 DSP 和微處理系統(tǒng)的控制芯片 TPS3833． 23 作為復(fù)位芯片，其具有上電復(fù)位，手動復(fù)位等功能，上電固定復(fù)位周期在 200ms。圖為 DSP 復(fù)位電路的設(shè)計 . + 3 . 3 V52V D DG N DU 3R E S E TW D 1M RT P S 3 8 2 3 3 3143復(fù) 位 信 號看 門 狗 信 號S 1S W P B圖 復(fù)位電路的設(shè)計 ⑷ .時鐘電路 1MS320F2812 的時鐘模塊提供兩種時鐘方式，一種是晶體模式，它是利用Ⅳ S320F2812 芯片內(nèi)提供的晶振電路，在芯片的 X1／ XCLKIN 和 X2 引腳之問連接一個晶振來獲得時鐘信號，另外一種采用外部時鐘模式，將輸入的時鐘信號直接接到 X1／ XCLKIN 引腳上。本系統(tǒng)采用晶體模式提供 時鐘，使用的晶振為 30MHz。圖為晶振電路圖 . T M S 3 2 0 F 2 8 1 2C 22 4 p fX 1 / X C L K I NX 2Y 1 3 0 MC 12 4 p f 圖 晶振電路圖 ⑸ . JTAG 仿真接口電路 DSP 的軟硬件調(diào)試主要是通過仿真器進(jìn)行。仿真器通過仿真接口實現(xiàn)與 DSP 之間的數(shù)據(jù)交互， TMS320F2812 的仿真接口采用 14 線的 JTAG 標(biāo)準(zhǔn) IEEEll49． 1。這種仿真器由芯片上提供的幾個仿真引腳實現(xiàn)仿真功能，可以用來解決高速 DSP 芯片的仿真。圖為TMS320F2812 芯片的 JTAG 仿真引腳和仿真接口圖。 + 3 . 3 VU 4E M U O P DG N DG N DG N DG N DG N DE M U 1T R S TT M ST D IT D OT C KT C K R E TJ T A GE M U OE M U 1T R S TT M ST D IT D OT C KT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 圖 芯片的 JTAG 仿真引腳和仿真接口圖 ⑹ .AD 轉(zhuǎn)換電路 分布式光纖傳感器的信號經(jīng)過調(diào)理和放大后，進(jìn)入 DSP 的 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中。為了獲得較高的 AD 轉(zhuǎn)換精度，必須采用正確的線路板布局，在線路板設(shè)計中， DSP 芯片上連接分布式光纖傳感器輸出信號的 AD 采集引腳引出的引線要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號線，以便最大程度地消除數(shù)字電路中開關(guān)噪聲與 ADC 輸入之間的耦合。 ADCLO 引腳是 DSP 中的低電平參考電壓引腳，在實際應(yīng)用中，將 ADCLO 引腳接地。在該引腳上疊加的額外的阻抗 都會進(jìn)一步增加 AD 采集的增益和偏移誤 差，為了給 ADCLO 提供一條低阻抗的路徑，通常將 TMS320F2812 芯片的 ADCLO引腳直接接地。 ⑺ .串行通信接口電路 由于小區(qū)分布廣泛，周邊環(huán)境復(fù)雜，需要通過遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)的手段對其周圍實際情況進(jìn)行監(jiān)控。小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。將 DSP 串口與上位機(jī)相連接，通過 RS232 串行通信的方式，發(fā)送指令給上位機(jī)。 TMS320F2812 的串行通信接口 (SCI)是采用雙線通信的異步串行通信接口，包括一個發(fā)送引腳(SCITXD)，一個接收引腳 (SXIRXD)。 SCI 接收 器和發(fā)送器有自己的獨(dú)立使能位和中斷位，可以獨(dú)立地操作，在全雙工模式下也可以同時操作。 、 DSP 主程序設(shè)計 主程序需要對數(shù)字信號分析處理，判斷周圍是否有異常情況的發(fā)生。主程序設(shè)計時首先通過數(shù)字濾波程序濾除光纖傳感器采集到的信號中的直流偏量和電源工頻干擾．然后對信號振幅的波動大小以及持續(xù)時間判斷，分析出小區(qū)周圍有無異常情況發(fā)生，最后定時將判斷的結(jié)果以短消息形式發(fā)送到遠(yuǎn)端小區(qū)監(jiān)控中心。 DSP 系統(tǒng)完成 1024 個點(diǎn)的 AD 轉(zhuǎn)換后 (標(biāo)志位 finish 置 1)，進(jìn)入數(shù)字濾波程序和事件判斷程序，濾除數(shù)字信號中的干擾信 號，并對小區(qū)周圍情況進(jìn)行分析判斷。每隔 8秒鐘， DSP 系統(tǒng)和小區(qū)監(jiān)控中心通信一次，發(fā)送反映當(dāng)前小區(qū)周圍情況的短消息。 DSP 的采樣率設(shè)為 50K。每進(jìn)行一次 1024 個點(diǎn)的 AD 轉(zhuǎn)換 (需要約O02 秒時間 )，計數(shù)器將加 1。當(dāng)計數(shù)器大于 400 時。 DSP 系統(tǒng)進(jìn)入串行通信程序，發(fā)送短消息給小區(qū)監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后．系統(tǒng)返回，繼續(xù)等待轉(zhuǎn)換標(biāo)志