嵌入式系統(tǒng)課題報告

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計結(jié)課報告基于嵌入式系統(tǒng)的光纖傳感定位系統(tǒng)設(shè)計 姓名 馬駒 單位 電子信息工程學(xué)院 導(dǎo)師 張 & 院士 專業(yè) 電子與通信工程 方向 嵌入式系統(tǒng) 日期 2016年6月6日 目錄摘 要01. 需求分析11.1分布式光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)方案11.2分布式光纖傳感信號處理系統(tǒng)方案12. 方案設(shè)計22.1 理論分析22.2 詳細(xì)設(shè)計43. 結(jié)果討論9參考文獻(xiàn)10摘 要目前的分布式光纖傳感系統(tǒng)主要依靠中控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡完成任務(wù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，在諸多領(lǐng)域的實際應(yīng)用受到限制1，同時進(jìn)行信號處理時相位還原方法大多基于軟件算法實現(xiàn)，也在此過程增加了計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理負(fù)擔(dān)，解調(diào)過程中增加了量

2、化誤差2。本文基于分布式光纖傳感器在長遠(yuǎn)周界安全監(jiān)測的應(yīng)用，設(shè)計了嵌入式安全監(jiān)測系統(tǒng)方案。關(guān)鍵詞：周界報警；光纖傳感技術(shù)；嵌入式；1. 需求分析1.1分布式光纖傳感器監(jiān)測系統(tǒng)方案隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，目前可將分布式光纖傳感器分為準(zhǔn)分布式和全分布式兩大類型。準(zhǔn)分布式光纖傳感器是由N個光學(xué)傳感器和一條或者多條光纖組合而成，由多個傳感安置在預(yù)定光纖位置上，共享一個或N個光纖通道構(gòu)成的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，具有可以同時或者分時測量預(yù)定位置上傳感器空間某一個或多個物理量分布信息的優(yōu)點，它的缺點是只能在預(yù)定的位置區(qū)域進(jìn)行空間信息的測量，不能在光纖上連續(xù)測量，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高。全分布式光纖傳感器是將一根傳

3、感光纖用作測量環(huán)境物理量的傳感元件和信息傳輸器件。該傳感器上的任意位置都是傳感單元，在測量外界空間分布的同時又能傳輸傳感單元的信息，從根本上解決了傳統(tǒng)的單點測量和準(zhǔn)分布式光纖傳感的測量不連續(xù)的問題。該傳感技術(shù)定位精確高、方法簡單易行、可實時多點擾動定位而廣受人們的關(guān)注和研究。鑒于其諸多特點，全分布式光纖傳感技術(shù)在被廣泛應(yīng)用在周界、大型建筑、石油管道等各種設(shè)施安全監(jiān)測領(lǐng)域，能夠準(zhǔn)確檢測柵欄攀爬、墻壁擠壓、危禁區(qū)行走和奔跑、強(qiáng)烈機(jī)械振動等各種干擾。本文針對長遠(yuǎn)距離周界安全監(jiān)測的實際應(yīng)用需求，選擇以分布式光纖傳感為基礎(chǔ)設(shè)計系統(tǒng)方案。1.2分布式光纖傳感信號處理系統(tǒng)方案全分布式光纖傳感主要利用了外界擾

4、動對光信號的相位進(jìn)行調(diào)制，然后采用干涉技術(shù)將光信號的相位變化轉(zhuǎn)為光強(qiáng)變化，進(jìn)而采用合成外差算法，或者配合DSP芯片在光纖傳感器測量系統(tǒng)中實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理。信號處理時，需要對信號作進(jìn)一步解調(diào)，才能如實反映外界的擾動信號，目前的相位還原方法大多基于軟件算法來實現(xiàn)，這不僅加重了計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理負(fù)擔(dān)，同時在解調(diào)過程中也引入了量化誤差，導(dǎo)致信號失真。為了解決這些問題，本方案設(shè)計了一套硬件解調(diào)系統(tǒng)，將原始的光強(qiáng)信號直接用硬件解調(diào)模塊處理，再將其交由后端數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)作數(shù)據(jù)相關(guān)分析，以消除量化誤差對還原出的相位信號的影響，同時也降低了對采集系統(tǒng)采樣率的要求。2. 方案設(shè)計2.1 理論分析：小波提升算

5、法提升小波算法是Daubechies等人于1996年提出的一種新的小波重構(gòu)算法，該算法可以不利用傅里葉變換直接在空間域進(jìn)行小波變換。相比于前幾種算法，提升小波算法具有計算難度系數(shù)低、計算速度快、方法簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點，同時在非線性、整數(shù)到整數(shù)、自適應(yīng)和非奇異采樣等變換中也非常適用。該算法變換的整個過程可以分為分解、預(yù)測和更新三階段。假設(shè)有原始離散信號，其中，將信號進(jìn)行提升小波變換的步驟可表示如下：（1）分解。分解這過程主要是為了從原始離散信號序列中得到互不相交的信號。一般都是按照信號序列號的奇偶性把分成偶數(shù)采樣點和奇數(shù)采樣點，其表達(dá)式可以如下表示： （2.1）（2）預(yù)測。由于原始信號數(shù)據(jù)之間有一

6、定的相關(guān)性，可以以原始離散信號為基礎(chǔ)，利用偶數(shù)采樣點去預(yù)測奇數(shù)采樣點，過程中信號實際值與預(yù)測結(jié)果值的誤差值表示細(xì)節(jié)信息。因此可以先利用預(yù)測算子得出奇數(shù)采樣點在偶數(shù)采樣點上的預(yù)測結(jié)果值，然后利用預(yù)測結(jié)果值減去原始信號得到預(yù)測誤差值，其表達(dá)式可表示為： （2.2）（3）更新。更新是為了讓偶數(shù)采樣點表示最原始離散信號序列的整體特性，其主要思想是找到一個理想的更新算子更新數(shù)據(jù)，使得原始信號的一些特征更好的保存下來。其中更新算子可以表示為： （2.3）在實際數(shù)據(jù)處理時，只需要將進(jìn)行重復(fù)多次迭代運算，可以完成對原始離散信號的多級分解。再根據(jù)變換公式進(jìn)行反變換重構(gòu)信號，經(jīng)過反更新、反預(yù)測后合并就可以重構(gòu)出原

7、始信號了。提升變換和反變換過程如圖2.1所示：圖2.1 提升變換和反變換過程框圖在上圖2.2中是原始離散信號，為重構(gòu)信號，P為預(yù)測算子，U為更新算子，為小波系數(shù)。綜上幾種降噪處理算法都有著各自的特點，根據(jù)長遠(yuǎn)距離周界實際環(huán)境入侵干擾信號頻率較低，噪聲信號大部分集中在高頻的特征，本文選擇了小波提升算法作為系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)的處理方法，該算法在硬件的DSP最小系統(tǒng)上實現(xiàn)。完成該算法主要有以下三個步驟：（1）將伴有噪聲干擾的原始傳感信號進(jìn)行小波分解，并設(shè)置合適的分解層數(shù)，對離散信號逐層分解和計算，最終獲得各層分解的系數(shù)值；（2）對小波分解后的各層系數(shù)選取合適的閥值進(jìn)行一定的處理，經(jīng)過一定過程的處理后，可以

8、得到估計小波系數(shù)；（3）把分解的信號高頻系數(shù)和低頻系數(shù)相結(jié)合起來對小波信號重構(gòu)處理，經(jīng)過重構(gòu)處理之后可得到較高信噪比的傳感信號。：3*3耦合器相位解調(diào)算法對于任意一個基于3*3耦合器的相位調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的基本光路，光接收端產(chǎn)生的具有一定相位差的干涉信號,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換,電路濾除信號的直流部分后,探測器獲得的交流信號如下表示： （2.4）完成該算法實現(xiàn)主要分為三個步驟：（1）干涉信號直流補償，去掉直流，其中一路信號可表示為： （2.5） （2.6） （2.7） （2）兩路相關(guān)信號分別微分，其中一路可表示為： （2.8） （3）將2.7與2.8式兩路相關(guān)信號交叉相乘相減后可以得到： （2.9） （4）將

9、上式積分便可得到擾動信號： （2.10）自此就可以得到干擾信號。2.2 詳細(xì)設(shè)計：硬件設(shè)計由于POTDR輸出的傳感信號是十分微弱的模擬信號，也不是差分輸出，因此在ADC設(shè)計時增加差分調(diào)理放大器對輸入模擬傳感信號進(jìn)行調(diào)理是不可缺少的。通過對AD9643資料的查閱和結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計需求，本文選擇了型號為ADA4930-1的差分放大器。ADA4930-1為一顆性能非常優(yōu)越的高速差分放大器，其低失真和超低噪聲的特點極其適應(yīng)用在AD芯片前端信號調(diào)理。利用ADA4930-1與AD9643芯片的電路設(shè)計原理分別如圖2.2和圖2.3所示：圖2.2 差分放大電路原理圖圖2.3 AD電路原理圖從AD9643電路原理圖

10、可以看到，芯片輸入為A、B兩個并行差分輸入的模擬信號，圖中差分輸入信號線是+OUT和OUT，兩個通道的輸出信號線是D0/D0+ D13/D13，輸出的是LVDS電平信號；CLK+，CLK是AD芯片工作時鐘信號號，其時鐘由FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)產(chǎn)生；SCLK、SDIO、CSB是SPI通信接口信號線，其接口與FPGA相接，并通過FPGA產(chǎn)生控制時序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸；OEB為輸出使能端，低電平有效；AD9643需要對內(nèi)部模擬電路和數(shù)字電路供電，為了模擬信號不受數(shù)字電路的干擾，需將兩個電源分開和去L4為分開作用珠。對于DSP系統(tǒng)來說，主要是利用算法對POTDR分布式光纖傳感信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和信號重構(gòu)

11、，完成系統(tǒng)入侵報警和入侵位置定位。DSP處理的數(shù)據(jù)來自FPGA的FIFO緩存器，當(dāng)數(shù)據(jù)存滿預(yù)置空間時，F(xiàn)PGA對DSP產(chǎn)生中斷，DSP就讀取FPGA中緩存的數(shù)據(jù)，之后把處理完成的數(shù)據(jù)信息通過串口傳輸給WiFi模塊，完成DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計對本文是非常重要的。DSP最小系統(tǒng)框架如圖2.4所示，主要包含了TMS320F28335芯片、晶振、數(shù)據(jù)存儲芯片、PL2303 UBS轉(zhuǎn)串口芯片，以及各個電路接口。圖2.4 DSP最小系統(tǒng)框圖利用Altium Designer 10軟件設(shè)計出來的硬件PCB電路如圖2.5所示，PCB采用了八層板設(shè)計。其中最左邊為光電檢測后的傳感信號輸入接口；模擬信號處理部分（主

12、要是ADC電路）與系統(tǒng)數(shù)字電路部分是分開設(shè)計的，其目的是為了減小數(shù)字電路對模擬電路的干擾，提高精度，同時也遠(yuǎn)離系統(tǒng)電源電路，減小電源紋波的干擾。圖2.5 硬件PCB設(shè)計具體步驟需要完成的就是在硬件電路設(shè)計過程中完成各個重要器件的選型，然后針對各個器件進(jìn)行原理圖設(shè)計，最后完成實際PCB電路設(shè)計。輸出信號直流補償和硬件解調(diào)部分原理框圖如下圖2.6、2.7所示：圖2.6 直流補償模塊設(shè)計框圖由上述分析可知，在相位解調(diào)硬件模塊中首先要做的是補償放大電路中去除的一部分直流信號，即能否精準(zhǔn)地補償直流信號對解調(diào)模塊的相位還原性能至關(guān)重要，其補償方法可采用一片帶有A/D和D/A的單片機(jī)來完成，其優(yōu)勢是可以在使

13、用中根據(jù)環(huán)境的變化，實時地校準(zhǔn)補償直流量，補償時，以單片機(jī)的高精度和前級峰值采樣保持電路來獲取實時信號的最大值和最小值，同時更新儲存于單片機(jī)RAM區(qū)的直流補償表中與當(dāng)前回光功率相對應(yīng)的補償參數(shù)值（即信號歷史最大值和最小值) 。圖2.7 硬件解調(diào)模塊設(shè)計框圖同時，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的回光功率，以低噪聲高精度的D/A來輸出相應(yīng)的歷史最大值與最小值的均值，將其與原始信號相加后即可得到補償后的信號，補償后的信號經(jīng)過一個微分器后得到一路反相微分信號，考慮到信號經(jīng)運放傳輸?shù)难訒r性，在將兩路反相微分信號與另一路原信號相乘前，先將原信號過一個反相放大器，隨后依次經(jīng)過差分放大和積分器，便可得到所需要的干擾信號。：軟件

14、設(shè)計DSP整個程序的流程圖見下圖2.8所示，從主流程圖可知，DSP需要處理較多的數(shù)據(jù)和事件，最主要的是通過提升小波變換處理光纖傳感信號和異常事件的判斷，以及異常事件信息的傳送。圖2.8 DSP主程序的流程圖各層分解的小波系數(shù)的模小于噪聲閥值時，將被當(dāng)作是噪聲而被“拋棄”，處理后的系數(shù)通過小波反變換就可以重構(gòu)出原始信號，小波重構(gòu)是小波分解的逆運算，關(guān)鍵代碼如下所示。void Wavelet_calculate( int * huancunqu;int J;int huancunqu_length) for(i=1;i1)*0.6745; /估算出噪聲方差值while( J != 0 ) / J為

15、層數(shù) ，per_J為當(dāng)前層數(shù) thr_value = variance*sqrt(2*log(huancunqu_length1)/log(per_J)for(i=2(per_J - 1);i huancunqu_length;i=i+2(2 thr_value ) /高頻小波分解系數(shù)處理huancunqu i = huancunqu i - thr_value；elsehuancunqu i = 0；per_J +；J-；3. 結(jié)果討論攀爬入侵柵欄測試的數(shù)據(jù)處理將環(huán)境條件變成有入侵事件發(fā)生。攀爬入侵柵欄測試的電壓波形如圖3.1所示，圖中電壓波動范圍較大，達(dá)到了1.0V1.0V，其電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過

16、了設(shè)定的報警閥值，這時安全監(jiān)測系統(tǒng)將會進(jìn)行報警，并且將報警信息通過串口發(fā)送到筆記本串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示和存檔，串口調(diào)試助手狀態(tài)截屏如圖3.2所示： 圖3.1 攀爬入侵柵欄的電壓波形圖3.2 異常入侵時串口調(diào)試助手狀態(tài)界面若光纖有擾動事件發(fā)生，監(jiān)測系統(tǒng)會通過串口提示有擾動事件信息出現(xiàn)，并不報警；相反，當(dāng)對光纖進(jìn)行攀爬入侵時，監(jiān)測系統(tǒng)則會實時報警，并將入侵信息立即發(fā)布出來。因此，可以得到本文設(shè)計的硬件電路可以實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和系統(tǒng)控制的結(jié)論。參考文獻(xiàn)1 Juarez J C, Maier E W, Choi K N, et al. Distributed fiber-optic intrusion sensor systemJ. Journal of Lightwave Technology, 2005, 23(6):2081-2087. 2 Mohamad H, Soga K, Pellew A, et al. Performance Monitoring of a Secant-Piled Wall Using Distributed Fiber Optic Strain SensingJ. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 2014, 137(12):1236-1243.3