嵌入式系统课题报告

1、嵌入式系统设计结课报告基于嵌入式系统的光纤传感定位系统设计 姓名 马驹 单位 电子信息工程学院 导师 张 & 院士 专业 电子与通信工程 方向 嵌入式系统 日期 2016年6月6日 目录摘 要01. 需求分析11.1分布式光纤传感器监测系统方案11.2分布式光纤传感信号处理系统方案12. 方案设计22.1 理论分析22.2 详细设计43. 结果讨论9参考文献10摘 要目前的分布式光纤传感系统主要依靠中控机和数据采集卡完成任务，其系统结构复杂、成本高昂，在诸多领域的实际应用受到限制1，同时进行信号处理时相位还原方法大多基于软件算法实现，也在此过程增加了计算机数据采集和处理负担，解调过程中增加了量

2、化误差2。本文基于分布式光纤传感器在长远周界安全监测的应用，设计了嵌入式安全监测系统方案。关键词：周界报警；光纤传感技术；嵌入式；1. 需求分析1.1分布式光纤传感器监测系统方案随着光纤技术的不断发展，目前可将分布式光纤传感器分为准分布式和全分布式两大类型。准分布式光纤传感器是由N个光学传感器和一条或者多条光纤组合而成，由多个传感安置在预定光纤位置上，共享一个或N个光纤通道构成的分布式传感网络，具有可以同时或者分时测量预定位置上传感器空间某一个或多个物理量分布信息的优点，它的缺点是只能在预定的位置区域进行空间信息的测量，不能在光纤上连续测量，并且结构复杂，成本偏高。全分布式光纤传感器是将一根传

3、感光纤用作测量环境物理量的传感元件和信息传输器件。该传感器上的任意位置都是传感单元，在测量外界空间分布的同时又能传输传感单元的信息，从根本上解决了传统的单点测量和准分布式光纤传感的测量不连续的问题。该传感技术定位精确高、方法简单易行、可实时多点扰动定位而广受人们的关注和研究。鉴于其诸多特点，全分布式光纤传感技术在被广泛应用在周界、大型建筑、石油管道等各种设施安全监测领域，能够准确检测栅栏攀爬、墙壁挤压、危禁区行走和奔跑、强烈机械振动等各种干扰。本文针对长远距离周界安全监测的实际应用需求，选择以分布式光纤传感为基础设计系统方案。1.2分布式光纤传感信号处理系统方案全分布式光纤传感主要利用了外界扰

4、动对光信号的相位进行调制，然后采用干涉技术将光信号的相位变化转为光强变化，进而采用合成外差算法，或者配合DSP芯片在光纤传感器测量系统中实现实时数据处理。信号处理时，需要对信号作进一步解调，才能如实反映外界的扰动信号，目前的相位还原方法大多基于软件算法来实现，这不仅加重了计算机的数据采集和处理负担，同时在解调过程中也引入了量化误差，导致信号失真。为了解决这些问题，本方案设计了一套硬件解调系统，将原始的光强信号直接用硬件解调模块处理，再将其交由后端数据采集处理系统作数据相关分析，以消除量化误差对还原出的相位信号的影响，同时也降低了对采集系统采样率的要求。2. 方案设计2.1 理论分析：小波提升算

5、法提升小波算法是Daubechies等人于1996年提出的一种新的小波重构算法，该算法可以不利用傅里叶变换直接在空间域进行小波变换。相比于前几种算法，提升小波算法具有计算难度系数低、计算速度快、方法简单易实现等优点，同时在非线性、整数到整数、自适应和非奇异采样等变换中也非常适用。该算法变换的整个过程可以分为分解、预测和更新三阶段。假设有原始离散信号，其中，将信号进行提升小波变换的步骤可表示如下：（1）分解。分解这过程主要是为了从原始离散信号序列中得到互不相交的信号。一般都是按照信号序列号的奇偶性把分成偶数采样点和奇数采样点，其表达式可以如下表示： （2.1）（2）预测。由于原始信号数据之间有一

6、定的相关性，可以以原始离散信号为基础，利用偶数采样点去预测奇数采样点，过程中信号实际值与预测结果值的误差值表示细节信息。因此可以先利用预测算子得出奇数采样点在偶数采样点上的预测结果值，然后利用预测结果值减去原始信号得到预测误差值，其表达式可表示为： （2.2）（3）更新。更新是为了让偶数采样点表示最原始离散信号序列的整体特性，其主要思想是找到一个理想的更新算子更新数据，使得原始信号的一些特征更好的保存下来。其中更新算子可以表示为： （2.3）在实际数据处理时，只需要将进行重复多次迭代运算，可以完成对原始离散信号的多级分解。再根据变换公式进行反变换重构信号，经过反更新、反预测后合并就可以重构出原

7、始信号了。提升变换和反变换过程如图2.1所示：图2.1 提升变换和反变换过程框图在上图2.2中是原始离散信号，为重构信号，P为预测算子，U为更新算子，为小波系数。综上几种降噪处理算法都有着各自的特点，根据长远距离周界实际环境入侵干扰信号频率较低，噪声信号大部分集中在高频的特征，本文选择了小波提升算法作为系统传感数据的处理方法，该算法在硬件的DSP最小系统上实现。完成该算法主要有以下三个步骤：（1）将伴有噪声干扰的原始传感信号进行小波分解，并设置合适的分解层数，对离散信号逐层分解和计算，最终获得各层分解的系数值；（2）对小波分解后的各层系数选取合适的阀值进行一定的处理，经过一定过程的处理后，可以

8、得到估计小波系数；（3）把分解的信号高频系数和低频系数相结合起来对小波信号重构处理，经过重构处理之后可得到较高信噪比的传感信号。：3*3耦合器相位解调算法对于任意一个基于3*3耦合器的相位调制解调系统的基本光路，光接收端产生的具有一定相位差的干涉信号,经光电转换,电路滤除信号的直流部分后,探测器获得的交流信号如下表示： （2.4）完成该算法实现主要分为三个步骤：（1）干涉信号直流补偿，去掉直流，其中一路信号可表示为： （2.5） （2.6） （2.7） （2）两路相关信号分别微分，其中一路可表示为： （2.8） （3）将2.7与2.8式两路相关信号交叉相乘相减后可以得到： （2.9） （4）将

9、上式积分便可得到扰动信号： （2.10）自此就可以得到干扰信号。2.2 详细设计：硬件设计由于POTDR输出的传感信号是十分微弱的模拟信号，也不是差分输出，因此在ADC设计时增加差分调理放大器对输入模拟传感信号进行调理是不可缺少的。通过对AD9643资料的查阅和结合系统设计需求，本文选择了型号为ADA4930-1的差分放大器。ADA4930-1为一颗性能非常优越的高速差分放大器，其低失真和超低噪声的特点极其适应用在AD芯片前端信号调理。利用ADA4930-1与AD9643芯片的电路设计原理分别如图2.2和图2.3所示：图2.2 差分放大电路原理图图2.3 AD电路原理图从AD9643电路原理图

10、可以看到，芯片输入为A、B两个并行差分输入的模拟信号，图中差分输入信号线是+OUT和OUT，两个通道的输出信号线是D0/D0+ D13/D13，输出的是LVDS电平信号；CLK+，CLK是AD芯片工作时钟信号号，其时钟由FPGA内部锁相环产生；SCLK、SDIO、CSB是SPI通信接口信号线，其接口与FPGA相接，并通过FPGA产生控制时序实现数据采集和传输；OEB为输出使能端，低电平有效；AD9643需要对内部模拟电路和数字电路供电，为了模拟信号不受数字电路的干扰，需将两个电源分开和去L4为分开作用珠。对于DSP系统来说，主要是利用算法对POTDR分布式光纤传感信号数据进行分析处理和信号重构

11、，完成系统入侵报警和入侵位置定位。DSP处理的数据来自FPGA的FIFO缓存器，当数据存满预置空间时，FPGA对DSP产生中断，DSP就读取FPGA中缓存的数据，之后把处理完成的数据信息通过串口传输给WiFi模块，完成DSP最小系统的设计对本文是非常重要的。DSP最小系统框架如图2.4所示，主要包含了TMS320F28335芯片、晶振、数据存储芯片、PL2303 UBS转串口芯片，以及各个电路接口。图2.4 DSP最小系统框图利用Altium Designer 10软件设计出来的硬件PCB电路如图2.5所示，PCB采用了八层板设计。其中最左边为光电检测后的传感信号输入接口；模拟信号处理部分（主

12、要是ADC电路）与系统数字电路部分是分开设计的，其目的是为了减小数字电路对模拟电路的干扰，提高精度，同时也远离系统电源电路，减小电源纹波的干扰。图2.5 硬件PCB设计具体步骤需要完成的就是在硬件电路设计过程中完成各个重要器件的选型，然后针对各个器件进行原理图设计，最后完成实际PCB电路设计。输出信号直流补偿和硬件解调部分原理框图如下图2.6、2.7所示：图2.6 直流补偿模块设计框图由上述分析可知，在相位解调硬件模块中首先要做的是补偿放大电路中去除的一部分直流信号，即能否精准地补偿直流信号对解调模块的相位还原性能至关重要，其补偿方法可采用一片带有A/D和D/A的单片机来完成，其优势是可以在使

13、用中根据环境的变化，实时地校准补偿直流量，补偿时，以单片机的高精度和前级峰值采样保持电路来获取实时信号的最大值和最小值，同时更新储存于单片机RAM区的直流补偿表中与当前回光功率相对应的补偿参数值（即信号历史最大值和最小值) 。图2.7 硬件解调模块设计框图同时，根据系统当前的回光功率，以低噪声高精度的D/A来输出相应的历史最大值与最小值的均值，将其与原始信号相加后即可得到补偿后的信号，补偿后的信号经过一个微分器后得到一路反相微分信号，考虑到信号经运放传输的延时性，在将两路反相微分信号与另一路原信号相乘前，先将原信号过一个反相放大器，随后依次经过差分放大和积分器，便可得到所需要的干扰信号。：软件

14、设计DSP整个程序的流程图见下图2.8所示，从主流程图可知，DSP需要处理较多的数据和事件，最主要的是通过提升小波变换处理光纤传感信号和异常事件的判断，以及异常事件信息的传送。图2.8 DSP主程序的流程图各层分解的小波系数的模小于噪声阀值时，将被当作是噪声而被“抛弃”，处理后的系数通过小波反变换就可以重构出原始信号，小波重构是小波分解的逆运算，关键代码如下所示。void Wavelet_calculate( int * huancunqu;int J;int huancunqu_length) for(i=1;i1)*0.6745; /估算出噪声方差值while( J != 0 ) / J为

15、层数 ，per_J为当前层数 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 ) /高频小波分解系数处理huancunqu i = huancunqu i - thr_value；elsehuancunqu i = 0；per_J +；J-；3. 结果讨论攀爬入侵栅栏测试的数据处理将环境条件变成有入侵事件发生。攀爬入侵栅栏测试的电压波形如图3.1所示，图中电压波动范围较大，达到了1.0V1.0V，其电压远远超过

16、了设定的报警阀值，这时安全监测系统将会进行报警，并且将报警信息通过串口发送到笔记本串口调试助手进行显示和存档，串口调试助手状态截屏如图3.2所示： 图3.1 攀爬入侵栅栏的电压波形图3.2 异常入侵时串口调试助手状态界面若光纤有扰动事件发生，监测系统会通过串口提示有扰动事件信息出现，并不报警；相反，当对光纤进行攀爬入侵时，监测系统则会实时报警，并将入侵信息立即发布出来。因此，可以得到本文设计的硬件电路可以实现传感数据的采集、数据预处理和系统控制的结论。参考文献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