基于dsp光纤周界报警系统的研究报告书(编辑修改稿)

基于dsp光纤周界报警系统的研究报告书(编辑修改稿)内容摘要：

，传感光纤和传输光纤均为单模光纤。 其中两条单模测试光纤构成马赫 增特光纤干涉仪，用于检测周界附近的振动信号。 信号传输光纤主要用于传输光波和测试的光波相位调制信号。 分布式光纤传感系统主要由光源、光隔离器、光源驱动和保护电路、光电探测器和信号调理电路组成。 光源主要用于向分布式光纤微振动传感器中发射光波。 光源采用一个半导体激光二极管，光源产生的光波为连续光波，其频率为光源本身的固有频率。 光隔离器主要是用来隔离光纤中的反射光向光源中传输。 光源驱动电路中，通过一个光电二极管监视半导体激光器的功率的输出并产生控制信号，同时采用功率自动控制电路调整激光器的驱动电流，保持光源输出的功率恒定。 光源保护电路主要由光源慢启动保护、光 源过流保 护和反向冲击电流保护电路组成，以防止光源的损坏，使光源长期稳定、可靠地工作。 ‘分布式光纤微振动检测系统的光电检测电路采用高灵敏度的光电二极管，检测来自传感器的信号。 通过光电检测器可以将分布式光纤传感器中的光信号转化为电信号，并以电压的形式输出。 为了能使数字信号处理器更好地分析光纤传感器中采集的信号，设计了一个信号调理电路，包括抗混叠滤波电路和一个主放大器，将光电探测电路产生的电压值滤波后进一步放大，以获得适合数字信号处理器分析的电压值。 、信号调理电路 光纤传感器的光电探测器完成测试信号的光电 转换后，获得了周界周围的环境情况的电信号，但是此时的测试信号中仍含有一部分噪声电压，需要采用滤波电路对测试信号进行处理，降低噪声对有用信号的影响，使数字信号处理器能够对分布式光纤传感器采集的电压进行更好地分析。 因为光电探测电路要考虑到很多的限制因素，特别是增益和噪声间的互相制约，所以在光电探测电路的输出电压值并不是很高，需要通过后续的主放大器的进一步放大，才能使得 DSP 系统更好地分析处理得到的电压信号。 根据奈奎斯特理论，采样频率的高低是由被采样的信号本身的最高频率决定的。 奈奎斯特理论指出，采样频率应高于模 拟信号最高频率的两倍，才能把以数字表达的信号还原成原来的信号。 在进入 DSP 进行数字信号处理之前，首先要经过抗混叠滤波，消除混叠失真小区远程监控系统中， DSP 的 AD 转换设置的采样率为 50K，系统中设计一个低通滤波电路，其截止频率为 25K。 由于光纤埋设于土壤中，很少会有 25K 以上的高频信号传播到光纤中，系统设计时采用了二阶低通滤波电路，它的衰减度为 40dB／十倍频，可以满足设计要求。 小区远程监控系统设计了一个信号调理器，其中包括一个电压跟随器和一个截止频率为 25KHz 的二阶低通滤波器。 电压跟随器可以提高输入 阻抗，并且降低输出阻抗，有利于与后一级信号耦合。 电压跟随和低通滤波电路。 、 DSP 信号处理 、 DSP 系统 信号的实时变换采集和分析处理是小区远程报警系统的主要任务之一，由于小区远程监控系统的信息采集量大，需要分析处理的数据量大。 随着数字计算机 的飞速发展，数字信号处理技术也得到了不断的发展。 数字信号处理技术通常将模拟信号转换成数字信号，通过高效的数字信号处理器或计算机对测试信号进行处理，将有用的测试信号从噪声中提取出来，消除噪声对信号的影响。 相对于传统的模拟信号处理手段，数字信号处理具有精度高 ，灵活性强，抗干扰，可靠性高等特点。 在实际的信号测试应用中，数字信号处理技术通常采用硬件和软件结合的方式对信号进行处理。 一般先通过模拟滤波电路对测试信号行抗混叠滤波，再通过 A／ D 转换将模拟信号转换为数字信号，输入到数字信号处理器或计算机中进行进一步的信号处理。 为了能够正确地选择数字信号处理的手段和方法，设计小区远程监控系统之前，首先进行了测试实验。 测试实验内容为：采用光功率为 0． 2mW 的光源，在实验室附近埋设一段长度约 200 米的光纤，埋设深度约为10 厘米。 人在光纤上方活动，模拟有人进行破坏小区生产的事件发生 ，利用美国国家仪器公司 (NI)的数据采集卡收集分布式光纤传感器采集的电压信号，并对它进行了数字滤波处理。 ⑴ .数字信号处理器 TMS320F2812 芯片 TMS320F2812 芯片是一款 32 位的定点 DSP 芯片，采用高性能的静态 CMOS 技术，主频达到 150MHz(时钟周期 6． 67ns)． FLASH 编程电压为 3． 3V，内核电压为 1． 8V，拥有 16x16 位和 32x32 位的乘法累加操作，哈佛总线结构， 4MB 的程序／数据寻址空间。 TMS320F2812 芯片的片内有 128Kxl6 位的 FLASH 存储器，1Kxl6 的 OTPROM， 2 个 4K 字节的 SARAM(L0 和 LI)， 1 个 8K 字节 SARAM(H0)， 2个 1K 字的 SARAM(M0 和 M1)，内置一个 12位的带流水线的模数转换器 (ADC)，该模数转换器有 16 个转换通道，可配置 2个独立的 8通道模块，最高采样频率为12． 5MHz。 对于每个通道而言，一旦 ADC 转换完成， DSP 把转换结果存储到结果寄存器 (ADCl 也 SULT)中。 AD 转换器有两个采样保持电路，流水线最快转换周期为 60ns，单通道最快转换周期为 200ns．并且可以使用两个时间管理器顺序触发8 对模数转换。 TMS320F2812 芯片有两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个事件管理器包括两个 16 位通用定时器， 6 个脉宽调带 0(PWM)通道， 3 个输入捕捉和 3 个输出比较单元，通过锁相环 (PLL)控制 DSP 内核工作频率，经过锁相环倍频或分频后提供给 DSP 内核。 ⑵ .电源电路 电源直接决定着 DSP 的正常供电，在 TMS320F2812 芯片中的电源引脚 (CPU， I／ O， PLL， FLASH 以及模拟电路电源引脚 )都要连接到各自的供电电源上，否则系统无法正常工作。 设计时要将模拟地和数字地分开。 该 DSP 芯片的 I／ O端口为 3． 3V，内核为 1． 8V。 在设计 3． 3V 电源时，系统采用 TPS75733 电压调节器调节。 图 为 DSP3． 3V 的电源电路的设计。 1． 8V 的电压设计原理与 3． 3V相近，所采用的电压调节器芯片为 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 图 ． 3V 的电源电路的设计 ⑶ .复位电路 复位电路的正确与否直接影响 DSP 系统上电后能否正常初始化。 在电源刚上电时， TMS320F2812 芯片应处于复位状态，其复位管脚为低，使芯片复位。 本系统采用专门应用于 DSP 和微处理系统的控制芯片 TPS3833． 23 作为复位芯片，其具有上电复位，手动复位等功能，上电固定复位周期在 200ms。 图为 DSP 复位电路的设计 . + 3 . 3 V52V D DG N DU 3R E S E TW D 1M RT P S 3 8 2 3 3 3143复 位 信 号看 门 狗 信 号S 1S W P B图 复位电路的设计 ⑷ .时钟电路 1MS320F2812 的时钟模块提供两种时钟方式，一种是晶体模式，它是利用Ⅳ S320F2812 芯片内提供的晶振电路，在芯片的 X1／ XCLKIN 和 X2 引脚之问连接一个晶振来获得时钟信号，另外一种采用外部时钟模式，将输入的时钟信号直接接到 X1／ XCLKIN 引脚上。 本系统采用晶体模式提供 时钟，使用的晶振为 30MHz。 图为晶振电路图 . 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 图 晶振电路图 ⑸ . JTAG 仿真接口电路 DSP 的软硬件调试主要是通过仿真器进行。 仿真器通过仿真接口实现与 DSP 之间的数据交互， TMS320F2812 的仿真接口采用 14 线的 JTAG 标准 IEEEll49． 1。 这种仿真器由芯片上提供的几个仿真引脚实现仿真功能，可以用来解决高速 DSP 芯片的仿真。 图为TMS320F2812 芯片的 JTAG 仿真引脚和仿真接口图。 + 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 图 芯片的 JTAG 仿真引脚和仿真接口图 ⑹ .AD 转换电路 分布式光纤传感器的信号经过调理和放大后，进入 DSP 的 AD 模数转换模块中。 为了获得较高的 AD 转换精度，必须采用正确的线路板布局，在线路板设计中， DSP 芯片上连接分布式光纤传感器输出信号的 AD 采集引脚引出的引线要尽量远离数字信号线，以便最大程度地消除数字电路中开关噪声与 ADC 输入之间的耦合。 ADCLO 引脚是 DSP 中的低电平参考电压引脚，在实际应用中，将 ADCLO 引脚接地。 在该引脚上叠加的额外的阻抗 都会进一步增加 AD 采集的增益和偏移误 差，为了给 ADCLO 提供一条低阻抗的路径，通常将 TMS320F2812 芯片的 ADCLO引脚直接接地。 ⑺ .串行通信接口电路 由于小区分布广泛，周边环境复杂，需要通过远程发送数据的手段对其周围实际情况进行监控。 小区远程监控系统采用光纤进行远程通信。 将 DSP 串口与上位机相连接，通过 RS232 串行通信的方式，发送指令给上位机。 TMS320F2812 的串行通信接口 (SCI)是采用双线通信的异步串行通信接口，包括一个发送引脚(SCITXD)，一个接收引脚 (SXIRXD)。 SCI 接收 器和发送器有自己的独立使能位和中断位，可以独立地操作，在全双工模式下也可以同时操作。 、 DSP 主程序设计 主程序需要对数字信号分析处理，判断周围是否有异常情况的发生。 主程序设计时首先通过数字滤波程序滤除光纤传感器采集到的信号中的直流偏量和电源工频干扰．然后对信号振幅的波动大小以及持续时间判断，分析出小区周围有无异常情况发生，最后定时将判断的结果以短消息形式发送到远端小区监控中心。 DSP 系统完成 1024 个点的 AD 转换后 (标志位 finish 置 1)，进入数字滤波程序和事件判断程序，滤除数字信号中的干扰信 号，并对小区周围情况进行分析判断。 每隔 8秒钟， DSP 系统和小区监控中心通信一次，发送反映当前小区周围情况的短消息。 DSP 的采样率设为 50K。 每进行一次 1024 个点的 AD 转换 (需要约O02 秒时间 )，计数器将加 1。 当计数器大于 400 时。 DSP 系统进入串行通信程序，发送短消息给小区监控中心。 数据发送完毕后．系统返回，继续等待转换标志。