基于FPGA的分布式光纤测温系统

《基于FPGA的光纤环形衰荡腔温度传感系统设计》篇一一、引言随着科技的发展，光纤传感器在众多领域的应用日益广泛。

其中，光纤环形衰荡腔（Fiber Ring Resonator，FRR）作为一种高效、稳定的光纤传感器件，具有广泛的测量和感知能力。

然而，由于环境因素如温度变化的影响，其性能会受到影响。

因此，设计一个基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的光纤环形衰荡腔温度传感系统显得尤为重要。

本文将详细介绍该系统的设计思路、实现方法和应用前景。

二、系统设计概述本系统以FPGA为核心控制器，结合光纤环形衰荡腔传感器，实现对温度的实时监测和精确控制。

系统主要由FPGA控制器、光纤环形衰荡腔传感器、数据采集与处理模块、显示与输出模块等部分组成。

通过FPGA控制传感器的工作模式，实现温度的实时测量与显示。

三、系统设计原理（一）光纤环形衰荡腔原理光纤环形衰荡腔由一环形光纤光路组成，通过引入特定的波长信号到光路中，并利用光纤中的非线性效应（如光克尔效应）产生共振，从而实现对外界环境（如温度）的感知。

（二）FPGA控制原理FPGA作为一种可编程逻辑器件，可以实现对光纤环形衰荡腔的精确控制。

通过编程设置FPGA的工作模式，实现对传感器数据的实时采集、处理和传输。

同时，FPGA还可以根据实际需求进行升级和优化，提高系统的性能和稳定性。

四、系统实现方法（一）硬件设计硬件部分主要包括FPGA控制器、光纤环形衰荡腔传感器、数据采集与处理模块等。

其中，FPGA控制器选用高性能、低功耗的型号，确保系统的稳定性和可靠性；光纤环形衰荡腔传感器选用高灵敏度、高稳定性的器件，确保测量的准确性；数据采集与处理模块负责对传感器数据进行实时采集和处理。

（二）软件设计软件部分主要包括FPGA编程和上位机软件设计。

FPGA编程实现对光纤环形衰荡腔的精确控制和对数据的实时处理；上位机软件则负责与FPGA进行通信，实现对数据的显示和存储等功能。

基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统的开题报告一、研究背景光纤温度传感器广泛应用于生产工业、医学健康监测、环境保护等领域中，具有非接触式、高精度、多点监测等优点，因此在实现快速、精确、可靠的物理量测量上具有一定的优势。

在已有的光纤温度传感器中，FPGAs (Field-Programming Gate Arrays) 是一种普遍使用的数字器件，其灵活性和可重配置性使其成为实现可靠性和效率的理想选择。

此外，分布式光纤传感技术亦是现代科学中的一种重要发展方向，它将光纤传感器部署在物体的表面或其内部，并通过具有各种标准接口的数字控制器来控制光纤传感器。

二、研究目的本次研究的主要目的是设计和实现一种基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统，该系统可以快速、准确地实现光纤传感器的部署和控制，进而实现对物体温度的多点监测。

本项目的研究重点在于：1. 设计并实现一种基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制器，该控制器可以通过各种标准接口与光纤传感器进行通信。

2. 探索分布式光纤传感技术的控制策略，并在系统中实现该策略。

3. 根据研究结果，进一步优化系统性能，提高可靠性和效率，最终实现该系统的工程化应用。

三、研究内容本项目的研究内容包括以下几个方面：1. 光纤温度传感器的基本原理及分布式传感技术的研究分析。

2. FPGA控制器的设计与实现，包括控制器接口的设计与实现、控制器软件的编程等。

3. 探索不同的分布式传感控制策略，并在系统中实现这些策略。

4. 设计适合今后工程应用的编程环境和调试工具，以提高系统的可维护性和可扩展性。

四、研究步骤本项目的研究步骤如下：1. 确定研究方向，并对光纤温度传感器、FPGA控制器和分布式传感技术进行深入了解和研究分析。

2. 根据研究成果，设计并实现基于FPGA的分布式光纤温度传感器控制系统。

3. 测试整个系统的性能，并分析系统在不同条件下的稳定性和可靠性。

4. 根据研究结果，对整个系统进行必要的优化，提高系统的可靠性和效率，为工程化应用奠定基础。

西南大学毕业论文题目：分布式光纤测温系统的设计与实现专业：电子信息工程技术班级：一班学生姓名：杨杰指导教师：谢熹摘要以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在20世纪后半叶至今的几十年里R新月异，极大地推动了人类社会的进步。

与其他传感器相比，光纤作为一种新型的传感器件有其独特的优势。

它抗电磁，耐高温，对温度、应变等外界变化敏感，而且价格便宜，容易获取，可以形成分布式的线测量甚至是场测量。

因此光纤传感在最近几年的到快速发展．将应用于更广的范围。

分布式光纤测温系统的信号采集、数据处理，以及后台软件的编写占系统成本的绝大部分。

它的检测精度和速度决定了整个系统的测量精度，空问分辨率，采集速度以及最后的请求响应时间。

如何提高系统各个部分的处理速度，协调好数据传输，成为分布式光纤铡温系统的关键。

论文提出了一种基于嵌入式的利用光纤拉曼散射原理的分布式测温解调方案。

由于传感距离长，使得系统可以进行场式的温度测量，可以全面的获得空间式的3维温度模型，满足大型工程传感网络的实时监测。

论文详细介绍了嵌入式光纤传感分布测温系统的光路设计，硬件电路设计和软件设计。

光路设计包括：在嵌入式主机的控制下利用激光源和脉冲调整器形成固定周期的脉冲光，作为光纤传感器的激励信号；使用3dB耦合器对激励光进行分束，传入光纤传感器，散射拉曼光回传经过耦合器进入分光系统，只有固定频率的Stokes光和Anti ．Stokes光透过分光系统；两束光分别进入光电探测器( PD) ，完成光电转换过程。

系统中各个模块间的同步由硬件电路控制，主控芯片为TI公司的双核微处理器。

0M AP5912对FPG A模块发出采集控制信号，FPG 巩负责控制与脉冲调制器间的同步，计时，同时触发AD采集。

采集结束，FPG A发出中断，通知采集过程结束。

O M AP5912发出传输数据指令，将外接RAM 中的数据读入DSP进行数据处理。

在DSP中对数据进行小波变换多分辨分析对采样的数字量进行降噪处理，消除传输和测量过程中的各种噪音和随机干扰。

湖北民族学院科技学院信息工程学院数字系统与Verilog设计报告题目：基于FPGA的温度检测系统设计姓名：学号：指导老师：2014/6/23摘要本文利用数字温度传感器DS18B20的数据接口和特点，阐述了一种基于现场可编程门阵列( FPGA)控制DS18B20的方法。

使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20 的时序，在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。

将测量的二进制数转换为BCD码，并通过数码管显示。

系统设计使用Verilog 语言。

关键字：数字温度传感器，数字温度检测，FPGA，Verilog语言目录1 引言温度是工业控制中主要的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足重轻的作用。

随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

随着温度检测理论和技术的不断更新, 温度传感器的种类也越来越多，在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器、热电阻传感器和半导体集成传感器等，每种传感器根据其自身特性，都有它自己的应用领域。

本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计利用数字温度传感器DS18B20的数据接口和特点。

使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20 的时序，在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。

基于FPGA模式的温度检测显示系统摘要：温度参数是我国传统工业研究新产品的重要考虑因素之一，这种重要性尤其体现在高精尖领域的行业上。

掌握精准有效的温度监测与控制系统，对于提升新产品的整体性能、提高整个工业行业的科技水平具有重要意义。

本研究基于现有的研究成果，将FPGA引入到温度检测系统进行研究，探讨使用了FPGA模式的温度检测显示系统如何发挥出更加强大的性能，从而寻求更稳定、更有效的温度检测显示系统。

关键词：FPGA；温度检测系统前言：温度监测显示系统是指利用现代科学技术，使用智能型微型处理器装置对产品运行时的外界环境以及内部温度进行检测并控制，保证产品稳定发挥其性能，并在出现问题时及时反馈，甚至对问题进行自我修复的一整套系统。

通俗来讲，也就是指产品的信息处理能力。

我国温度检测显示系统目前仍存在着高耗能、低效率、自主能力弱等问题。

1.我国温度检测系统的发展历程起步较晚、速度缓慢、是我国温度检测显示系统发展的最突出特点，这与我国的国情是息息相关的。

建国以后到改革开放之前，我国基于五年计划的基本遵循，经济发展的重心主要集中在重工业上，而对于第三产业和自主芯片研发等却了解甚少。

因此，我国的这类仪器大都依赖于进口，长期以来缺乏自主性。

我国关于温度检测系统的发展起步是在改革开放以后。

基于第三次科技革命在全球范围内的推进，再加上我国政府的重视、高校理工人才的输送以及国外人才的引进，我国的温度检测系统取得了较快发展。

但由于我国在起点上落后于其他发达国家，很多产品的温度检测处理器仍然依赖于向国外进口，而我国自主研发的产品则在温度检测的及时性和温度管控的有效性等方面存在着明显的弱势。

近年来，一些研究发现，FPGA的信息处理和数据分析性能很强，如果将其应用到温度检测系统中，产品的性能至少可以提高6倍。

然而，由于该领域的研究才刚刚着手，技术经验等许多方面还不够成熟，因此仍是一个初步应用环节。

由于温度检测对于一项高新技术产品而言，相当于产品心脏的重要地位，因此每一项新技术在温度检测系统中的应用既是大胆的也是谨慎的。

分布式光纤测温系统一、综述分布式光纤测温系统集光、电、机械、计算机和微弱信号检测等技术为一体，可实现大范围空间温度分布式实时测量，具有测量距离长、覆盖探测区域、实时监测、可精确定位等优点，在交通隧道、地铁、电力、石化、水利等等领域均有应用。

分布式光纤测温系统同时实现温度测量和空间定位功能，其中温度测量利用光纤自发拉曼（Raman）散射效应，空间定位利用光时域反射（OTDR）技术。

光纤既是传输介质，又是传感器。

高速驱动电路驱动激光器发出一窄脉宽激光脉冲，激光脉冲经波分复用器后沿传感光纤向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生多种微弱的背向散射，包括瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生温度不敏感的斯托克斯（Stokes）光和温度敏感的反斯托克斯（Anti-Stokes）光，两者的波长不一样，经波分复用器分离后由高灵敏的探测器所探测。

光纤中的Anti-Stokes光强受外界温度调制，Anti-Stokes与Stokes 的光强比值准确反映了温度信息；不同位置的拉曼散射信号返回探测器的时间是不一样的，通过测量该回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置；结合高速信号采集与数据处理技术，可准确、快速地获得整根传感光纤上任一点的温度分布信息。

分布式光纤测温技术原理二、系统组成2.1系统组成概述系统主要包括测量主机、传感光缆、用户软件和相关配件。

2.1.1 测量主机测温主机采用多项光电测量和光纤技术以及性能高的光电器件，测量距离（16km）可定制、响应速度（2s）、测温精度（0.5℃）。

客户可以针对应用需求，选择相应的型号。

测量主机外观分布式光纤测温系统技术指标如下：2.1.2感温探测光缆传感光缆采用特殊设计的快速导热型光缆，纤芯采用进口GI 62.5/ 125多模光纤，光纤保护层选用高强度聚合物及不锈钢螺旋管铠装护套，外护套为低烟无卤阻燃材料，抗拉强度、耐弯、耐压性能好，防水、抗腐蚀性，稳定可靠，工作寿命长。

基于FPGA的实时分布式温度采集技术按照以上的分析，接下来用语言编写描述有限状态机功能的程序。

程序用法两个进程来描述有限状态机的功能：state_transfer进程用来描述有限状态机中的次态规律和状态寄存器．通过CASE语句，按照次态规律值实现状态值的转变；output_logic进程用来描述有限状态机中的输出规律，通过IF语句推断状态值然后转入相应的命令程序。

3 基于FPGA与基于单片机控制DS18B203.1 保证时序精确单片机作为基于DS18B20的温度监控系统的控制器，用汇编语言编写程序，很简单控制时光，由于我们知道每条语句的执行时光，每段宏的执行时光，每段子程序加调用语句所消耗的时光。

但是当系统进入中断，时序的控制就无法保证精确。

3.2 查找序列号单片机的管脚有限，所以要用单片机检测多个温度点，就需要将多个DS18B20挂在一条总线上。

很明显，序列号许配工作需要额外的时光，而且在读取一个测温点温度值的过程中，其它的测温点也都完成了测温并等待读取，这无疑降低了测温的效率。

用FPGA代替单片机，以上问题就不存在了。

首先FPGA具有丰盛的管脚资源，可以让每个传感器都单独用法一根数据线。

这样不但可以实现同时读取每一个传感器的温度值，而且可以不用举行序列号的匹配。

大大提高了囫囵系统测温的效率，维护越发便利快捷。

3．3 成本考虑单片机技术如今已经十分成熟。

应用领域也十分广泛．价钱也十分廉价。

一般的型号价格在l美元左右，最高端的型号也惟独10美元。

因此用单片机作为控制器．整体系统的成本相对较低。

虽然FPGA如今也已经得到了广泛的普及，但是价格还是相对较高，因此用FPGA作为系统的控制器威本就相对高一些。

4 结论第1页共2页。

分布式光纤测温系统原理分布式光纤测温系统（Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System）是一种利用光纤来实现温度测量的技术。

它通过在光纤中引入一定的周期性光学结构，利用光纤的传感性能，实现对光纤沿线的温度变化的实时监测。

下面将从光纤传感原理、传感光纤结构和数据处理原理三个方面详细介绍分布式光纤测温系统的工作原理。

首先，我们来介绍光纤传感原理。

光纤传感原理是利用光纤本身的光学性能实现温度测量的关键。

光纤是一种由具有较高折射率的芯层和外包层组成的细长物体，它具有很好的光导和传感性能。

当光纤中的光传播时，光的强度和频率会随着光纤周围的环境变化而发生变化。

而温度是光纤周围环境的一种基本物理量，因此可以通过测量光纤中光的变化来获得温度信息。

其次，传感光纤结构是实现分布式光纤测温系统的关键技术。

常用的传感光纤结构有光纤布拉格光栅（Optical Fiber Bragg Grating，FBG）和拉曼散射光纤（Raman Scattering Fiber）两种。

光纤布拉格光栅是在光纤中引入一定间隔的光折射率周期性分布，通过测量光纤中反射光的波长来实现温度测量。

而拉曼散射光纤则是通过测量光纤中的拉曼散射光强来实现温度测量。

这些传感光纤结构具有高精度、高稳定性和高可靠性的特点，能够实现对光纤沿线的温度变化的实时监测。

最后，数据处理原理是实现分布式光纤测温系统工作的关键。

数据处理原理主要包括对光纤中的反射光波长或散射光强的测量和分析。

对于光纤布拉格光栅结构，可以通过测量光纤中反射光波长的变化来获得温度信息。

测量的方法有波长描写和波长间隔法两种。

波长描写是通过测量反射光波长与参考波长之间的差值来获得温度信息。

而波长间隔法是通过测量不同反射光波长之间的间隔来获得温度信息。

对于拉曼散射光纤结构，可以通过测量拉曼散射光强的变化来获得温度信息。

这些测量数据可以通过数据分析和处理，得到光纤沿线的温度分布信息，实现一个分布式光纤测温系统。

Scientific Journal of Information EngineeringJune 2015, Volume 5, Issue 3, PP.102-110 A Design of Optical Fiber Vibration Sensing System Based on ARM and FPGAWente Wang1, Xingqun Zhao1#, Suiren Wan1, Xiaohan Sun21. School of Biomedical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China2. School of Electronic Science & Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China#Email: ndt@AbstractThe main work of this paper is to develop a data acquisition and processing unit of distributed optical fiber vibration sensing system based on ARM and FPGA. The data acquisition system uses FPGA as its main controller to achieve the dual-channel acquisition of pulse wave and continuous wave. The ARM9 microprocessor S3C2440 is used as the main processor in this system for data acquiring/processing/storage. Linux OS is ported to the ARM core and Linux device drivers are developed for configuring the FPGA sub system and transmitting data. Compared to optical fiber vibration data acquisition methods (PC+PCI card) before, this method has the advantage of low-power, good expansibility and portability, which makes it a broader usage.Keywords: Distributed Optical Fiber Sensing; ARM; FPGA; Linux Device Driver; Data Acquisition基于FPGA和ARM的分布式光纤振动传感监测系统的研制王文特1，赵兴群1，万遂人1, 孙小菡21. 东南大学生物科学与医学工程学院，江苏南京 2100962. 东南大学电子科学与工程学院，江苏南京 210096摘要：光纤振动传感具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、检测范围大等的特点，特别适合应用于周界防入侵系统中。

• 154•ELECTRONICS WORLD ・技术交流基于分布式光纤测温技术的矿用测温系统设计天地（常州）自动化股份有限公司 谭长森【摘要】本文简要分析了分布式光纤测温的基本原理，设计了一种基于分布式光纤测温技术的矿用测温系统；该系统能够实现高压电缆等长输距离的线缆的温度监测，又能够测量煤矿采空区的温度，在温度升高到设定值时及时报警并联动执行机构采取相应的动作，提前预防煤矿电缆敷设的线槽、煤矿采空区等地区的火灾，为煤矿安全生产提供了保证。

【关键词】分布式光纤测温；测温系统；联动报警；安全生产0 概述煤矿高压长输供电线路、采空区等区域为煤矿火灾的高发地域，一旦发生火灾其影响、损失将无法估量，如何准确预测其内部工作状态从而预防火灾的发生，是煤矿安全生产的重要环节，一般采用测量其温度来间接判断火灾是否有发生趋势或已经发生[1]。

鉴于传统温度测量存在的缺点，本文提出了一种基于分布式光纤测温技术的煤矿测温系统，光纤测温是基于拉曼散射中反斯托克斯光对温度的敏感性，采用斯托克斯光作为温度信号，用反斯托克斯光解调出温度表达式，并根据光时域反射原理对温度信号与空间位置对应原理，从而实现对整条光缆沿线温度的测量，将测温光缆沿采空区或者动力供电线路敷设，就可以感知整个采空区线路或线路的温度，从而为预测火灾的发生提供了重要依据。

1 分布式光纤测温系统基本理论分布式光纤测温系统是基于将反斯托克斯光射入光纤中，光在传输时产生拉曼散射温度效应[2]，依据光时域反射理论来获取定位信息和温度分布信息的监控系统。

1.1 光时域反射原理分布式光纤测温系统对空间各处的温度进行空间测量的理论基础是光时域反射原理，其基本原理是通过分析光纤中背向散射光和菲涅尔反射光的方法，测量由于在光纤中散射或被分子吸收等原因产生的传输损耗和由于结构缺陷而引起的结构性损耗，在此系统中只考虑背向散射光而不需要考虑菲涅尔反射光。

当光纤某一点受到干扰，比如应力作用或温度的影响时，该点的散射特性会发生变化从而引起光纤上损耗信息发生变化，我们通过这种变化通过相应的分析，能够得出某个地点所对应的温度值。

《基于GPU的分布式光纤拉曼测温系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤传感技术在多个领域得到了广泛的应用。

其中，分布式光纤拉曼测温系统因具有高灵敏度、长距离测量等优点而备受关注。

然而，传统的测温系统在数据处理和分析方面仍存在效率低下的问题。

为此，本文提出了一种基于GPU（图形处理器）的分布式光纤拉曼测温系统设计，旨在提高数据处理速度和测温准确性。

二、系统设计概述本系统设计主要包括硬件和软件两部分。

硬件部分包括光纤、光源、探测器等；软件部分则负责数据的采集、处理和分析。

其中，GPU的引入使得系统在数据处理方面具有更高的性能。

三、硬件设计1. 光纤：选用低损耗、高灵敏度的光纤，以保证信号传输的质量和稳定性。

2. 光源：采用高功率、窄线宽的激光器作为光源，以产生适合拉曼散射的光束。

3. 探测器：选用高灵敏度、高分辨率的探测器，用于接收光纤中传输的光信号。

4. GPU加速器：引入高性能的GPU，用于加速数据的处理和分析。

四、软件设计1. 数据采集：通过光纤和探测器采集拉曼散射的光信号，并将数据传输至GPU进行初步处理。

2. 数据处理：GPU对采集到的数据进行快速处理，包括去噪、滤波、放大等操作，以提高信噪比。

3. 算法实现：采用拉曼散射测温算法，在GPU上实现温度的计算和分析。

4. 结果输出：将计算得到的温度数据通过界面展示给用户，同时保存数据以便后续分析。

五、GPU加速技术1. 并行计算：GPU具有大量的计算核心，适合进行并行计算。

通过将数据分块，并行处理各个数据块，提高数据处理速度。

2. 内存优化：合理分配GPU内存，避免数据传输瓶颈，提高数据传输速度。

3. 算法优化：针对拉曼散射测温算法，进行GPU加速优化，进一步提高计算速度。

六、系统性能分析1. 测温准确性：基于GPU的分布式光纤拉曼测温系统具有高灵敏度和高分辨率，能够准确测量温度变化。

2. 处理速度：引入GPU加速技术，显著提高了数据处理速度，缩短了测温时间。

基于FPGA的实时分布式温度采集技术
王景中;冯祎
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2009(025)026
【摘要】分布式温度采集系统大多采用单片机作为控制器,通过轮流读取每个监测点的温度进行温度监测.当要监测的温度点非常多时,系统显然无法实时监测每一个监测点,降低了系统的效率和实时性.本文采用FPGA作为分布式温度采集系统的控制器,并使用1-Wire器件DS18820作为监测点的温度侍感器,可以实时监测每个监测点,提高了系统的实时性和稳定性.
【总页数】3页(P131-132,135)
【作者】王景中;冯祎
【作者单位】100144,北京,北方工业大学信息工程学院;100144,北京,北方工业大学信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP274
【相关文献】
1.基于FPGA的高清图像实时采集技术研究 [J], 陈龙险
2.基于大数据跨平台的分布式实时数据采集技术实现 [J], 池燕清; 徐炫东; 廖嘉炜
3.基于FPGA技术实时图像采集技术 [J], 赵宇新; 傅海军; 王淇櫕; 耿礼阳
4.基于FPGA技术实时图像采集技术 [J], 赵宇新; 傅海军; 王淇櫕; 耿礼阳
5.基于分布式温度采集技术的中央空调节能运行方案设计 [J], 陈孜虎
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