【正文】 te situation analysis, display and storage alarm information and other functions. Key words: optical fiber sensor, DSP, digital circuit filter, munity security 、發(fā)明的目 的和基本思路 、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的背景 我國一個(gè)人口大國，有十三億多人口，伴隨著現(xiàn)代化的步伐，人民的生活水平不斷提高，人們對住房的要求也不斷提高，既要求舒適溫馨也要安全放心。 目前國內(nèi)的安防設(shè)備價(jià)格高昂，讓人生畏，基于此我們研制了利用光纖作為信號接受與傳送的 DSP 光纖周界報(bào)警系統(tǒng)。 、作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的 居民小區(qū) 監(jiān)控系統(tǒng)要求測量精準(zhǔn)，運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)運(yùn)算量比較大，傳統(tǒng)的模擬信號的處理手段難以滿足要求，隨著電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，也帶來了DSP 的快速發(fā)展，運(yùn)用 DSP技術(shù)作為信號的處理手段，有著運(yùn)算速度快，功耗低等特點(diǎn)，居民小區(qū)范圍大小不一，周邊環(huán)境復(fù)雜，人流量和周邊車輛流動大，需要通過上位機(jī)對其進(jìn)行監(jiān)控。 系統(tǒng)的總體框圖如圖 所示： 光 纖傳 感 器信 號調(diào) 理 電 路D S P信 號 處 理監(jiān) 控中 心 顯 示 圖 系統(tǒng)的總體框圖 本系統(tǒng)是基于馬赫 — 增特光纖干涉儀原理的周界遠(yuǎn)程監(jiān)控分布式光纖檢 測技術(shù)對周界周圍環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測，該技術(shù)利用光纖作為傳感器采集周界附近的振動信號，通過對振動信號的處理和分析，可以有效地檢測出周界周圍是否有異常情況發(fā)生，并實(shí)現(xiàn)周界周圍的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測?！?Laser”是 light amplification by stimulated emission of radiation（受激輻射光放大）的簡稱。 雖然激光器種類繁多，但 它們都有一些基本特征。一般來說，高強(qiáng)度閃光或放電可以泵激介質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生大量激發(fā)狀態(tài)的原子（含高能電子的原子）。一般來說，原子必須受激上升到基態(tài)以上兩到三個(gè)能量層級。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指處于激發(fā)態(tài)的原子和處于基態(tài)的原子之間的數(shù)量比。受激電子所含能量比低層級電子的能量高。如 下圖所示，電子只要向低層級躍遷，就會釋放部分能量。發(fā)射出的光子具有特定的波長。 半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單。 、光電轉(zhuǎn)換器 傳感器技術(shù)中很重要的一類稱為光傳感器 。本實(shí)驗(yàn)將介紹常用的量子探測器或稱光子探測器，它是利用材料的光電效應(yīng)制作成的探測器，故也稱為光電轉(zhuǎn)換器。 光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。常用的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻、光電倍增器、光電池、 PIN管、 CCD 等。當(dāng)光照射金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，會被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。 ⑵ 光電導(dǎo)效應(yīng) 某些半導(dǎo)體材料在光的照射下，內(nèi)部電子吸收光子后，掙脫原子的束縛而形成自由電子，使其導(dǎo)電性能增加，電阻率下降，這種半導(dǎo)體器件稱為光敏電阻，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。利用光敏電阻的這種特性制成的光控開關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見。轟 擊物體的電子稱為一次電子，物體吸收一次電子后激勵(lì)體內(nèi)的電子到高能態(tài)，這些高能電子的一部分向物體表面運(yùn)動，到達(dá)表面時(shí)仍具有足夠的能量克服表面勢壘而發(fā)射出來的電子稱為二次電子。 ⑷ 光電二極管 光電二極管是典型的光電效應(yīng)探測器，具有量子噪聲低、響應(yīng)會、使用方便等特點(diǎn)，廣泛用于激光探測器。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子－空穴對在勢壘區(qū)電場的作用下，電子被拉向 n區(qū)，空穴被拉向 p 區(qū)而形成光電流。當(dāng)入設(shè)光強(qiáng)變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。 ⑸ 伏安特性 當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管。 對于外加正向電壓， I 隨 V 指數(shù)增長，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時(shí)，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本上是個(gè)常數(shù)。 、光纖耦合器 光波在光纖傳輸過 程中，當(dāng)光纖受到外界作用時(shí)，將對光波的傳輸特性產(chǎn)生影響。光纜中的兩條光纖構(gòu)成光纖干涉儀的兩條測試光纖，而第三條光纖用于信號傳輸。 光 源 驅(qū) 動 及光 源 驅(qū) 動 及保 護(hù) 電 路光 源隔 離 器光 電 探 測信 號 調(diào) 理耦 合 器傳 感 光 纖 1傳 感 光 纖 2信 號 傳 輸 光 纖分 布 式 光 纖 微 振 動 傳 感 器（ 傳 感 光 纜 ）耦 合 器圖 測試系統(tǒng)組成圖 光源發(fā)出的連續(xù)光波從傳感器的一端分為光強(qiáng)為 l： l 的兩束光波在兩條 測試光纖中同時(shí)傳播，在光纖傳感器另一端匯合形成干涉信號，由第三條 光纖將干涉信號傳輸?shù)焦怆姍z測器，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大和濾波電路對信號進(jìn)行處理后，將信號傳輸?shù)?DSP 中進(jìn)行下一步的分析和處理。干涉型分布式微振動測試傳感器中的兩條傳感光纖受到周界附近振動信號的作用時(shí)會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，在兩條傳感光纖中傳播的相干波束會分別產(chǎn)生相位變化，但兩條光纖受到外界同一事件作用時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變并不完全相同，因而在兩條光纖中傳播的相干波束所產(chǎn)生的相位變化也不完全相同，所以會引起兩光纖匯合處所形成的干涉光的變 化。 周界附近發(fā)生事件產(chǎn)生的振動波作用到光纜中的兩條單模光纖所組成的傳感器上，設(shè)兩條測試光纖周界附近同一振動信號影響所產(chǎn)生的光波相位調(diào)制量分別為 ?? ??tst 21s 、 ，沿兩條測試光纖傳播的兩束相干光波均是簡諧振動，光纖中傳播的受到調(diào)制的光波波動方程可分別 表示為： ? ?? ?? ?? ?22t221111 c osc os ??? ??? ??? ??? tsA tsA t 式中： 21 ??、 為兩束相干光波的場強(qiáng)； 21 AA、 為光波振幅； t? 為光波角頻率； 21 ??和 為兩束光波的初始相位。則 ? ? ? ? ? ? 2121222211 ,s ??? ???????? tststAIAI ， 兩束相干光波干涉后的光強(qiáng)為： ? ?? ???????? tIIIII sc o s2 2121 設(shè) 0I 而為輸入到兩條測試光纖中的總光強(qiáng)；兩相干光波的混合效率。 在上式中△砸常為一常數(shù) 2/rt ，稱為直流偏置或正交偏置。測試信號是兩束相干光波相位調(diào)制差 ??ts? 的函數(shù)，由于兩條測試光纖在光纜中排列位置 不同，當(dāng)測試光纜受到振動作用時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變也不相同，因而在兩條傳感光纖中傳播的兩束相干光波產(chǎn)生的相位變化也不完全相同， ??ts? 是一個(gè)變量，通過實(shí)時(shí)的檢測干涉光信號的變化，則可以檢測出小區(qū)周圍產(chǎn)生的振動信號，從而實(shí)現(xiàn)了小區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。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 。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。光源采用一個(gè)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。光源驅(qū)動電路中，通過一個(gè)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(shí)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。‘分布式光纖微振動檢測系統(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。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(jì)了一個(gè)信號調(diào)理電路，包括抗混疊濾波電路和一個(gè)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。因?yàn)楣怆娞綔y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。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。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(jì)時(shí)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(jì)要求。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。 、 DSP 信號處理 、 DSP 系統(tǒng) 信號的實(shí)時(shí)變換采集和分析處理是小區(qū)遠(yuǎn)程報(bào)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。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(jì)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。在實(shí)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。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(jì)小區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之前，首先進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。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。 TMS320F2812 芯片的片內(nèi)有 128Kxl6 位的 FLASH 存儲器，1Kxl6 的 OTPROM， 2 個(gè) 4K 字節(jié)的 SARAM(L0 和 LI)， 1 個(gè) 8K 字節(jié) SARAM(H0)， 2個(gè) 1K 字的 SARAM(M0 和 M1)，內(nèi)置一個(gè) 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(gè)轉(zhuǎn)換通道，可配置 2個(gè)獨(dú)立的 8通道模塊，最高采樣頻率為12． 5MHz。 AD 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)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(gè)時(shí)間管理器順序觸發(fā)8 對模數(shù)轉(zhuǎn)換。 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。該 DSP 芯片的 I／ O端口為 3． 3V，內(nèi)核為 1． 8V。圖 為 DSP3． 3V 的電源電路的設(shè)計(jì)。 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(jì) 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。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。本系統(tǒng)采用晶體模式提供 時(shí)鐘，使用的晶振為 30MHz。仿真器通過仿真接口實(shí)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。圖為TMS320F2812 芯片的 JTAG 仿真引腳和仿真接口圖。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(jì)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