光栅尺数据采集系统及实现

《面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统及帧结构研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤光栅传感技术已经广泛应用于各种领域，如土木工程、智能交通、环境监测等。

GPON（Gigabit-capable Passive Optical Network）作为一种高速、大容量的光接入技术，为光纤光栅传感数据的传输提供了强有力的支持。

因此，面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统的研究，以及其帧结构的研究，对于提高数据传输效率、保障数据传输的可靠性具有重要意义。

二、光纤光栅传感技术概述光纤光栅传感技术是一种基于光纤光栅的传感技术，其核心是光纤光栅。

光纤光栅是一种利用光纤材料的光敏性制成的光学器件，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。

其优点在于测量精度高、抗干扰能力强、可实现分布式测量等。

三、面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统主要由传感器、数据采集模块、GPON传输模块等部分组成。

传感器将测量到的物理量转换为光信号，数据采集模块对光信号进行采样、量化、编码等处理，然后通过GPON传输模块将数据传输到上位机进行处理。

该系统的关键技术包括：1. 传感器技术：传感器是整个系统的核心部分，其性能直接影响到整个系统的测量精度和稳定性。

2. 数据采集技术：数据采集模块需要对传感器输出的光信号进行精确的采样、量化、编码等处理，以保证数据的准确性和可靠性。

3. GPON传输技术：GPON传输模块需要保证数据的高速、大容量传输，同时要保证数据的实时性和可靠性。

四、GPON帧结构研究GPON的帧结构是保证数据传输可靠性的关键因素之一。

GPON的帧结构主要包括帧头、帧数据和帧尾等部分。

其中，帧头包含了一些控制信息，用于指示帧的类型、长度等；帧数据则是实际要传输的数据；帧尾则用于帧的结束标识。

针对光纤光栅传感数据的传输，需要对GPON的帧结构进行优化设计。

具体来说，需要在帧头中加入一些与光纤光栅传感数据相关的控制信息，如数据的类型、采样率等；同时，要保证帧数据的长度适中，以适应GPON的高速、大容量传输特点；此外，还需要在帧尾加入一些用于错误检测和纠正的控制信息，以提高数据的传输可靠性。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011347598.3(22)申请日 2020.11.26(71)申请人 西安航天计量测试研究所地址 710100 陕西省西安市15号信箱7分箱(72)发明人 赵米锋　丁国　邓鹏波　杨曦　朱锴　(74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限公司 61211代理人 汪海艳(51)Int.Cl.G05B 19/05(2006.01)(54)发明名称基于PLC的光栅尺数据采集系统及方法(57)摘要本发明涉及一种光栅尺数据采集系统及方法，具体涉及一种基于PLC的光栅尺数据采集系统及方法。

解决现有通过计算机专用板卡实现数据采集存在的成本高以及采用专用数显表实现数据采集存在的频率过高数据易丢失及功能单一的技术问题。

包括PLC、触摸屏及开关电源；PLC自带高速计数器；光栅尺输出信号与高速计数器的采集端口连接；PLC用于将光栅尺输出信号处理后上传至触摸屏；上述触摸屏用于接收PLC输出信号并进行人机交互；PLC内存储数据处理程序，PLC对光栅尺输出信号进行处理，将光栅尺的脉冲信号转换为实际长度。

本发明采用PLC高速计数器计数功能读取光栅尺信号，通过编程实现数据处理，无需采用计算机就可完成，可直接将数据上传触摸屏实现人机交互。

权利要求书4页 说明书7页 附图2页CN 112415944 A 2021.02.26C N 112415944A1.一种基于PLC的光栅尺数据采集系统，其特征在于：包括PLC、触摸屏及开关电源；所述开关电源包括5V开关电源及24V开关电源，所述5V开关电源用于给光栅尺供电，所述24V开关电源用于给PLC和触摸屏供电；所述PLC包括高速计数器；光栅尺输出信号与高速计数器的采集端口连接；所述PLC用于将光栅尺输出信号处理后上传至触摸屏；所述触摸屏用于接收PLC输出信号并进行人机交互；所述PLC内存储数据处理程序，用于对光栅尺输出信号进行处理，将光栅尺的脉冲信号转换为实际长度；所述数据处理程序包括暖启动程序、主程序及校准子程序；所述数据处理程序被执行时，执行以下步骤：步骤1、运行暖启动程序，实现初始化；PLC上电，对高速计数器数据存储地址以及其它数据存储地址清零，初始化；步骤2、运行主程序，计算光栅尺实际长度；步骤2.1、PLC的数字量输入端口接收到光栅尺参考点的上升沿信号触发高速计数器开始计数，并将脉冲数存储到高速计数器数据存储地址中；步骤2.2、读取高速计数器数据存储地址中的脉冲数，若该地址中的脉冲数有不稳定或跳变现象，则在设定时间内连续存储n个脉冲数，取其平均值或者中位值作为该地址当前脉冲数；其中n为大于等于2的正整数；步骤2.3、根据采集到的脉冲数及光栅尺栅距计算光栅尺实际长度；步骤3、运行校准子程序，对光栅尺实际长度进行校准。

大直径多滚压轮测量光栅数据采集系统设计徐正红,金施群(合肥工业大学仪器仪表学院,安徽合肥　230022)　[收稿日期]2004-09-07　[基金项目]国防军工计量十五重点科研项目,编号为60104208　[作者简介]徐正红(1976-),男,安徽望江人,工程师,合肥工业大学在读研究生,从事计量测试工作。

[摘　要]文章简要介绍了大直径多滚压轮测量法的基本原理和虚拟仪器技术的特点,详细阐述了利用LabV IEW 调用动态链接库机制构建光栅数据采集系统的过程,实践表明这是LabV IEW 与其它Windows 应用程序之间实现数据共享的一条很好的途径。

[关键词]虚拟仪器;LabV IEW ;动态链接库;光栅;数据采集[中图分类号]TB 92 [文献标识码]B [文章编号]1002-1183(2005)02-0010-03Design of raster data acquisition system for large diametermeasurement with multiple rolling 2wheel methodXU Zheng 2hong ,J IN Shi 2qun(School of Instrumentation ,Hefei University of Technology ,Hefei 230022,China )Abstract :The Basic principle of large diameter measurement with multiple rolling 2wheel method and the conception of virtual instrument are briefly introduced.The raster data acquisition system is constructed by running DLL in LabV IEW.Practice proves that it is a quite effective means to realize data share between LabV IEW and other Windows application programs.K ey w ords :virtual instrument ;LabV IEW ;DLL (Dynamic Link Libraries );raster ;data acquisition1　大直径多滚压轮测量方法和虚拟仪器技术在几何量测量领域,大直径高准确度测量方法一直是一个技术难题,长期以来,国内外学者对大直径测量进行了大量的研究,但是始终没有理想的方法和仪器出现,使其成为提高重大装备制造精度的瓶颈。

㊀２０２０年㊀第７期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．７㊀基金项目：国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＦ０１０５９０２）；国家自然科学基金项目（９１６４８１０８，５１８７５１０８）；广东省自然科学基金项目（２０１５Ａ０３０３１２００８）收稿日期：２０１９－０６－０４基于ＢＩＳＳ协议绝对式光栅尺数据采集系统设计邝俊澎１，杨志军１，孙㊀晗１，熊少旺１，吴建成１，李俊颖１，贾㊀静２（１．广东工业大学，广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东广州㊀５１０００６；２．三英精控（天津）科技有限公司，天津㊀３０１７００）㊀㊀摘要：为满足高速精密平台实现精准定位和数据处理的要求，基于ＢＩＳＳ协议设计了软㊁硬件接口模块和上位机㊂运用ＦＰＧＡ和ＳＮ７５１７９Ｂ组成的硬件电路，协同ＢＩＳＳ协议解码模块和数据缓冲单元对光栅尺信号进行处理，最后通过串口模块与上位机进行通信㊂仿真与实测结果表明该数据采集系统能够准确快速地处理数据并且在上位机正确显示位移数据，具有良好的可移植性和拓展性等优点㊂关键词：ＢＩＳＳ协议；ＦＰＧＡ；绝对式光栅尺；数据采集；并行ＣＲＣ；上位机中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）０７－００５２－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＡｂｓｏｌｕｔｅＧｒａｔｉｎｇＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＢＩＳＳＰｒｏｔｏｃｏｌＫＵＡＮＧＪｕｎ⁃ｐｅｎｇ１，ＹＡＮＧＺｈｉ⁃ｊｕｎ１，ＳＵＮＨａｎ１，ＸＩＯＮＧＳｈａｏ⁃ｗａｎｇ１，ＷＵＪｉａｎ⁃ｃｈｅｎｇ１，ＬＩＪｕｎ⁃ｙｉｎｇ１，ＪＩＡＪｉｎｇ２（１．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏ⁃ｎａｎｏＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ；２．ＳａｎｙｉｎｇＭｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＬｔｄ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０１７００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｄｕｌｅｓａｎｄｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＢＩＳＳｐｒｏｔｏｃｏｌ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍ⁃ｐｏｓｅｄｏｆＦＰＧＡａｎｄＳＮ７５１７９ＢｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｏｐｅｒａｔｅｗｉｔｈｔｈｅＢＩＳＳｐｒｏｔｏｃｏｌｄｅｃｏｄｉｎｇｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｄａｔａｂｕｆｆｅｒｕｎｉｔｔｏｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｓｃａｌｅｓｉｇｎａｌ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗｉｔｈｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓ⁃ｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｃｅｓｓｄａｔａａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄｑｕｉｃｋｌｙａｎｄｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄａｔａｃｏｒ⁃ｒｅｃｔｌｙｉｎｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｇｏｏｄｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｘｐａｎｄａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＩＳＳｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＦＰＧＡ；ａｂｓｏｌｕｔｅｇｒａｔｉｎｇ；ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌＣＲＣ；ｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒ０㊀引言随着时代的不断发展，在高端数控机床㊁精密电子封装设备和机器人等行业，对定位精度和定位速度的要求越来越高［１－３］，因此对位置反馈器件的性能要求越来越高㊂位置编码器根据其工作方式可分为绝对式㊁增量式和混合式绝对编码器３种㊂由于绝对式编码器由机械位置确定编码而且无需找参考点，在抗干扰性和数据的可靠性方面得到很大提高㊂位置编码器作为伺服闭环控制中重要的反馈环节，与主机的通信速度和对数据处理的速度是限制执行机构快速定位的另一大因素［４－５］㊂本文采用绝对式直线光栅尺，其通讯协议为ＢＩＳＳ协议㊂在低端应用场合中通常采用官方解码芯片或者单片机，但由于受到专用芯片的扩展能力和单片机的数据处理能力的限制，使得在高端场合和多场景应用显得力有不逮［６］㊂而ＦＰＧＡ具有灵活性高㊁可移植性强的特点和快速处理数据的能力，综合分析后最终采用ＦＰＧＡ实现ＢＩＳＳ协议通讯㊂本文介绍了ＢＩＳＳ协议的数据结构，设计了该系统的硬件电路原理图和所需的各个软件模块，实现了通讯接口和上位机的设计并将位置数据上传至上位机显示㊂１㊀ＢＩＳＳ协议数据结构ＢＩＳＳ是来自ｉＣ－Ｈａｕｓ公司的开源协议［７－８］，它适用于传感器和执行器的数字双向串行接口，而且带ＣＲＣ校验功能保护数据传送㊂与其他同类通讯协议相比，ＢＩＳＳ协议在兼容性和网络结构方面更具有优势，高速性和时延与ＳＳＩ相当［９］㊂同时，ＢＩＳＳ协议的数据长度可以根据实际情况做出修改，具有良好的扩展性㊂㊀㊀㊀㊀㊀第７期邝俊澎等：基于ＢＩＳＳ协议绝对式光栅尺数据采集系统设计５３㊀㊀ＢＩＳＳ协议有传感器模式（ｓｅｎｓｏｒｍｏｄｅ）和寄存器模式（ｒｅｇｉｓｔｅｒｍｏｄｅ）２种工作模式［１０－１１］㊂在传感器模式中，光栅尺充当从机，主机只需向从机发送位置请求即可快速获取相关信息㊂而寄存器模式中，主机和光栅尺可以进行双向读写操作来获取相应的信息㊂在传感器模式下，其数据帧格式如图１所示，首先是 Ａｃｋ 响应阶段，紧接着是 Ｓｔａｒｔ 位和 ０ 位，之后的主体数据部分由若干位位置数据㊁１位错误位㊁１位警告位和６位ＣＲＣ校验码组成，最后是超时结束阶段 Ｔｉｍｅｏｕｔ ㊂图１㊀ＢＩＳＳ协议数据格式具体的通信请求循环如下：（１）空闲时，主机使ＭＡ时钟线保持高电平而光栅尺使ＳＬＯ线保持高电平表示已准备就绪㊂（２）请求位置采集时，主机开始传输ＭＡ时钟脉冲㊂（３）光栅尺在ＭＡ时钟的第二个上升沿时将ＳＬＯ线设为低电平作为响应㊂（４）完成Ａｃｋ周期后，光栅尺将二进制格式的绝对位置数据传输到与时钟同步的主机㊂（５）光栅尺传送完所有数据后，主机停下时钟并将ＭＡ线设置为高电平㊂（６）如果光栅尚未准备下一个位置请求周期，它会将ＳＬＯ线设为低电平㊂（７）当光栅尺准备进行下一请求周期时，它通过将ＳＬＯ线设为高电平来提示主机㊂２㊀系统软硬件设计２．１㊀硬件电路设计硬件系统由ＦＰＧＡ（ＣｙｃｌｏｎｅⅣ系列ＥＰ４ＣＥ６Ｅ２２Ｃ８）和绝对式光栅尺构成，该绝对式光栅尺的通讯格式为ＲＳ４８５／ＲＳ４２２差分线驱动信号，最高通讯速率为１０Ｍｂｉｔ／ｓ㊂信号处理的硬件电路如图２所示，采用全双工差分芯片ＳＮ７５１７９Ｂ对ＲＳ４８５信号进行处理㊂该芯片具有一个接收器和一个驱动器，数据传输速率达到１０Ｍｂｉｔ／ｓ，满足ＢＩＳＳ协议最高数据传输要求㊂光栅尺通过ＤＢ９接口与主控板连接，ＦＰＧＡ发出的ＭＡ时钟脉冲经过转换芯片由ＴＴＬ电平转为差分信号输出给光栅尺㊂另一方面，光栅尺返回的ＳＬＯ信号经芯片处理后由差分信号转为ＴＴＬ电平输入至ＦＰＧＡ㊂ＦＰＧＡ与上位机采用串口通信方式，ＦＰＧＡ将获取的位置数据依次发送至上位机中，然后上位机将位置数据描点绘图，显示工作平台的运动轨迹数据㊂图２㊀电平转换电路２．２㊀软件模块设计该数据采集系统如图３所示，主要由锁相环㊁ＭＡ时钟控制器㊁ＳＬＯ数据控制器㊁ＦＩＦＯ㊁ＵＡＲＴ控制器㊁光栅尺和上位机组成㊂其中锁相环的作用是为了得到不同的ＭＡ时钟频率，然后根据实际需求设置所需的ＭＡ时钟频率㊂光栅尺接收到ＭＡ时钟信号后返回当前位置信息给ＦＰＧＡ，然后经过一系列的数据处理，最后将结果传输至上位机显示㊂图３㊀系统框图在ＦＰＧＡ数据处理部分中，其具体工作原理如图４所示㊂ＦＰＧＡ通过ｋｅｙ＿ｅｎ信号使能ＭＡ时钟信号控制器开始工作，向光栅尺发送ＭＡ时钟信号请求获取当前位置值㊂光栅尺接收到位置请求后，以同样ＭＡ时钟周期返回信息数据㊂图４㊀数据处理模块示意图根据ＢＩＳＳ协议的数据特点，将ＳＬＯ数据控制接收数据的过程划分为５个状态，该状态机工作方式如㊀㊀㊀㊀㊀５４㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｌ．２０２０㊀图５所示㊂开始时ＳＬＯ数据控制器处于空闲状态并且进入等待状态等待光栅尺返回数据㊂当ＳＬＯ从高电平变成低电平时，状态机进入应答状态等待Ｓｔａｒｔ位㊂当接收到Ｓｔａｒｔ位后ＳＬＯ数据控制器进入工作状态开始接收数据㊂一般接收数据的做法是根据ＭＡ时钟的上升沿读取当前ＳＬＯ的电平状态，但是在实际电平转换过程中，电平并不稳定㊂因此仅仅根据ＭＡ时钟上升沿读取ＳＬＯ引脚当前电平值会存在接收错误的情况㊂而数据在传输过程中，一般来说数据的中间位置的电平状态是最稳定的㊂因此在接收状态阶段中，如图６所示㊂其中ｓｙｓ＿ｃｌｋ为系统时钟，ｂｐｓ＿ｃｎｔ为一个ＭＡ时钟周期对应系统时钟周期的数量，当计数值等于ｂｐｓ＿ｃｎｔ一半时读取数据即可获得稳定的电平值㊂接收完数据后，ＳＬＯ控制器进入ＴＩＭＥＯＵＴ状态㊂当ＳＬＯ从低电平拉高后，ＳＬＯ控制器重新进入空闲状态，如此循环工作㊂图５㊀数据接收状态机图６㊀电平信号采集原理ＳＬＯ数据控制器接收完数据后向ＭＡ时钟控制器和ＣＲＣ校验模块返回ｄｏｎｅ＿ｆｌａｇ信号，并且将接收到的数据分为ｄａｔａ＿ｉｎ和ｃｒｃ＿ｃｈｅｃｋ２部分数据传输至下一级模块中，其中ｄａｔａ＿ｉｎ数据是接收到的位置值㊁错误位和警告位，而ｃｒｃ＿ｃｈｅｃｋ数据是接收到的ＣＲＣ校验码㊂当ＭＡ时钟控制器接收到ｄｏｎｅ＿ｆｌａｇ信号后停止ＭＡ时钟，并且将ＭＡ信号拉高；当ＣＲＣ校验模块接收到ｄｏｎｅ＿ｆｌａｇ信号后，开始对ｄａｔａ＿ｉｎ数据进行ＣＲＣ校验运算［１２］㊂光栅尺的校验字段为１００００１１㊂为了进一步提升数据处理的效率，充分发挥ＦＰＧＡ并行数据处理的优势㊂ＣＲＣ校验采用并行运算的算法［１３－１５］，只需一个系统时钟周期即可计算出ＣＲＣ校验码，主要代码如下：ｃｒｃ＿ｏｕｔ［０］＜＝ｄ［２６］＾ｄ［２５］＾ｄ［２４］＾ｄ［２０］＾ｄ［１８］＾ｄ［１７］＾ｄ［１６］＾ｄ［１５］＾ｄ［１２］＾ｄ［１０］＾ｄ［６］＾ｄ［５］＾ｄ［０］＾ｃ［２］＾ｃ［３］＾ｃ［４］；ｃｒｃ＿ｏｕｔ［１］＜＝ｄ［２７］＾ｄ［２４］＾ｄ［２１］＾ｄ［２０］＾ｄ［１９］＾ｄ［１５］＾ｄ［１３］＾ｄ［１２］＾ｄ［１１］＾ｄ［１０］＾ｄ［７］＾ｄ［５］＾ｄ［１］＾ｄ［０］＾ｃ［２］＾ｃ［５］；ｃｒｃ＿ｏｕｔ［２］＜＝ｄ［２５］＾ｄ［２２］＾ｄ［２１］＾ｄ［２０］＾ｄ［１６］＾ｄ［１４］＾ｄ［１３］＾ｄ［１２］＾ｄ［１１］＾ｄ［８］＾ｄ［６］＾ｄ［２］＾ｄ［１］＾ｃ［０］＾ｃ［３］；ｃｒｃ＿ｏｕｔ［３］＜＝ｄ［２６］＾ｄ［２３］＾ｄ［２２］＾ｄ［２１］＾ｄ［１７］＾ｄ［１５］＾ｄ［１４］＾ｄ［１３］＾ｄ［１２］＾ｄ［９］＾ｄ［７］＾ｄ［３］＾ｄ［２］＾ｃ［０］＾ｃ［１］＾ｃ［４］；ｃｒｃ＿ｏｕｔ［４］＜＝ｄ［２７］＾ｄ［２４］＾ｄ［２３］＾ｄ［２２］＾ｄ［１８］＾ｄ［１６］＾ｄ［１５］＾ｄ［１４］＾ｄ［１３］＾ｄ［１０］＾ｄ［８］＾ｄ［４］＾ｄ［３］＾ｃ［０］＾ｃ［１］＾ｃ［２］＾ｃ［５］；ｃｒｃ＿ｏｕｔ［５］＜＝ｄ［２５］＾ｄ［２４］＾ｄ［２３］＾ｄ［１９］＾ｄ［１７］＾ｄ［１６］＾ｄ［１５］＾ｄ［１４］＾ｄ［１１］＾ｄ［９］＾ｄ［５］＾ｄ［４］＾ｃ［１］＾ｃ［２］＾ｃ［３］；其中ｃｒｃ＿ｏｕｔ［５ʒ０］是ＣＲＣ校验模块对数据进行计算得出的校验码，ｄ［２７ʒ０］为校验模块接收的ｄａｔａ＿ｉｎ数据，而ｃ［５ʒ０］的值全为零，最后将计算得出的校验码与接收的ｃｒｃ＿ｃｈｅｃｋ校验码进行比对㊂如果二者一致，则ｃｒｃ＿ｄｏｎｅ信号输出高电平脉冲，表示正确接收数据，并将该数据传输至下一级处理单元；否则舍弃该数据，并准备发起下一次光栅位置请求㊂由于光栅尺获取位置数据的速度远快于串口与上位机之间的通讯速度，因此会造成因数据传输速率不一致而导致数据丢失的情况㊂针对这种情况，在数据传输过程中设计了数据缓存块㊂该数据采集系统的数据传输具有传输速率不一致㊁传输数据位宽不一致和数据传输的顺序不变的特点㊂综合比对各种缓存结构的特点，最后采用ＦＩＦＯ存储器作为数据缓存㊂ＦＩＦＯ一般用于不同时钟域之间的数据传输，也常用来实现不同位宽接口的数据匹配㊂数据在传送过程中需要满足寄存器对建立与保持时间的要求，数据存在亚稳态情况实现缓存功能，从而解决传输速率不一致的问题㊂３㊀上位机设计上位机开发利用的是基于图形界面开发的ＭＡＴ⁃ＬＡＢＧＵＩ工具箱，能够快速开发实验平台原型㊂该工具箱集成了大量的常用模块并且提供ＭＡＴＬＡＢ函数库接口，支持ＲＳ２３２／ＲＳ４８５串口通讯协议［１６－１７］㊂同时，ＭＡＴＩＡＢ具有强大的绘图功能和数据分析功能，非常适用于信号采集与信号分析㊂而且该工具箱能够使程序转换成ｅｘｅ文件，使其脱离ＭＡＴＬＡＢ环境也能正常工作㊂㊀㊀㊀㊀㊀第７期邝俊澎等：基于ＢＩＳＳ协议绝对式光栅尺数据采集系统设计５５㊀㊀由于串口通信一次只能发送８位数据，而光栅尺位置数据共２６位㊂为了提高计算机寻址效率，ＦＰＧＡ将位置数据拆分为４组８位数据发送至上位机㊂上位机将接收到的４组数据进行拼接，然后进行十进制换算，最后根据转换后的数据画出图表㊂４㊀仿真测试最后将整体设计好的各模块通过ＭｏｄｅｌＳｉｍ软件进行仿真验证，在测试文件中模拟光栅尺以１０Ｍｂｉｔ／ｓ的通讯速率向ＦＰＧＡ传输数据㊂本次测试中设置了２组数据，如表１所示，其中第二组数据完全正确㊂由数据表可知，２组的位置状态信息一致，但ＣＲＣ校验值最后一位不同㊂由此可以测试ＳＬＯ数据控制器接收２组数据的位置状态信息是否一致和ＣＲＣ校验模块能否正确工作，其整体测试结果如图７所示㊂表１㊀仿真数据表位置状态信息ＣＲＣ校验值１０１０＿０１０１＿１１００＿００１１＿１１０１＿０１００＿１０１１１１０１１０１０１０＿０１０１＿１１００＿００１１＿１１０１＿０１００＿１０１１１１０１１１㊀㊀由图７可以看出，当触发信号ｋｅｙ＿ｅｎ使能后，ＭＡ时钟以１０ＭＨｚ的频率向光栅尺发出位置请求㊂测试文件模拟光栅尺发送数据，当接收完数据后ＭＡ时钟停止工作并且保持高电平等待下次触发㊂从波形图数据分析得，ＳＬＯ数据控制器正确接收２组的位置状态信息和ＣＲＣ校验值㊂但因为第一组的ＣＲＣ校验值与事实不符，所以ｃｒｃ＿ｄｏｎｅ无高电平脉冲返回㊂而第二组数据ｃｒｃ＿ｄｏｎｅ返回高电平脉冲证明ＣＲＣ校验成功㊂由此得出设计的ＢＩＳＳ接口通过高速通信仿真测试㊂图７㊀ＭｏｄｅｌＳｉｍ仿真图５㊀实验结果与分析将编写好的程序下载到ＦＰＧＡ中，连接绝对式光栅尺㊂移动平台到不同的位置，然后发出位置请求信号，通过ＳｉｇｎａｌＴａｐＬｏｇｉｃＡｎａｌｙｚｅｒ捕获ＦＰＧＡ内部接收的信号如图８所示㊂由图８可知，当ＦＰＧＡ发出位置请求后，ＭＡ时钟信号开始工作；当接收到完成标志位后，ＭＡ时钟停止工作并且保持高电平；之后将接收到的数据进行ＣＲＣ校验，ｃｒｃ＿ｄｏｎｅ信号产生高电平脉冲信号，证明接收的数据正确㊂由此可见，该波形图符合ＢＩＳＳ协议理论时序图，其数据处理模块能够正常稳定工作㊂图８㊀ＳｉｇｎａｌＴａｐ数据捕获通过等间距地驱动平台并且向光栅尺发送位置请求信号，ＦＰＧＡ将接收到的光栅尺位置信息经过校验后上传至上位机显示，如图９所示㊂从图９可以看出，上位机能够正确接收光栅尺的位置数据并将其描绘成图表㊂图９㊀上位机数据显示示意图６㊀结束语本文根据ＢＩＳＳ通讯协议设计了硬件电路和解码模块以实现绝对式光栅尺数据采集并且设计了上位机显示光栅尺数据㊂以ＦＰＧＡ为核心的数据采集系统，节省了外围电路的空间，而且移植性和扩展性好，具有一定的通用性㊂为了充分发挥ＦＰＧＡ强大的数据处理能力和灵活性，加入了并行ＣＲＣ校验运算，缩短了工作周期㊂实验结果表明，该数据采集系统能够以１０Ｍｂｉｔ／ｓ的通信速率准确接收光栅尺数据，并且解码后将其传输给上位机反映平台运动信息㊂㊀㊀㊀㊀㊀５６㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＪｕｌ．２０２０㊀参考文献：［１］㊀黄特生，高健，周志强，等．面向电子制造的高速精密宏微运动平台研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１５（２）：５０－５４．［２］㊀陆爱明．面向高端制造装备的高速精密定位平台控制技术研究［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２０１３．［３］㊀夏链．电子封装ＢＧＡ全自动植球机关键技术研究［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２０１３．［４］㊀贾兴丹，万秋华，赵长海，等．光电编码器测速方法现状与展望［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１８（３）：１０２－１０７．［５］㊀刘小树，万秋华，王树洁，等．光电编码器检测装置研究现状与展望［Ｊ］．半导体光电，２０１６，３７（６）：７６３－７６９．［６］㊀王希远，成荣，朱煜，等．基于ＦＰＧＡ的ＢＩＳＳ－Ｃ协议编码器接口技术研究及解码实现［Ｊ］．液晶与显示，２０１６，３１（４）：３８６－３９１．［７］㊀ＩＣ⁃Ｈａｕｓｅ，Ｉｎｃ．ＢｉＳＳｉｎｔｅｒｆａｃｅ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１９－０５－２０］．ｗｗｗ．ｉｃｈａｕｓｃｈｉｎａ．ｃｏｍ／ｅｎ／ｂｉｓｓ．ｈｔｍ．［８］㊀高长清，林辉，张辉．ＢｉＳＳ接口的光电编码器数据读出研究［Ｊ］．计算机测量与控制，２００９，１７（５）：９５７－９５８．［９］㊀肖鲲，王莉娜．基于ＦＰＧＡ的ＢｉＳＳ协议光电编码器通信模块设计［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（７）：１８８－１９１．［１０］㊀张芳健，王晗，蔡念，等．基于ＦＰＧＡ的绝对式光栅尺接口通讯设计与实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１８（１）：３６－４０．［１１］㊀常怡萍，杨蕾．基于Ｂｉｓｓ协议的绝对式编码器数据采集［Ｊ］．电子测量技术，２０１７，４０（４）：９２－９５．［１２］㊀张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），硕士研究生，主要研究方向为嵌入式开发等㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：９３４１３７３２０＠ｑｑ．ｃｏｍ杨志军（１９７７ ），教授，主要研究领域高速精密运动㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｙａｎｇｚｊ＠ｇｄｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第３２页）［３０］㊀ＹＯＵＧＪ，ＪＩＡＮＧＪ，ＨＥＲＸ，ｅｔａｌ．ＰｔＰｄ（１１１）ｓｕｒｆａｃｅｖｅｒｓｕｓＰｔＡｕ（１１１）ｓｕｒｆａｃｅ：ｗｈｉｃｈｏｎｅｉｓｍｏｒｅａｃｔｉｖｅｆｏｒｍｅｔｈａｎｏｌｏｘｉｄａｔｉｏｎ？［Ｊ］．ＡＣＳＣａｔａｌ，２０１８，８：１３２－１４３．［３１］㊀ＺＨＥＮＧＹＹ，ＹＵＡＮＪＨ，ＳＨＥＮＪＦ，ｅｔａｌ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｓｙｎ⁃ｔｈｅｓｉｓｏｆＰｔＰｄｎａｎｏｃｕｂｅｓｏｎｇｒａｐｈｅｎｅａｓａｄｖａｎｃｅｄｃａｔａｌｙｓｔｓｆｏｒｅｔｈａｎｏｌｏｘｉｄａｔｉｏｎ［Ｊ］．ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇｙ，２０１８，４３：４９０２－４９１１．［３２］㊀ＷＵＪＦ，ＳＨＡＮＳＹ，ＺＨＯＮＧＣＪ，ｅｔａｌ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｃｏｍ⁃ｐｏｓｉｔｉｏｎ⁃ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｙｎｅｒｇｙｏｆＰｔＰｄａｌｌｏｙｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃｏｘｙｇｅｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ，２０１７，１２１：１４１２８－１４１３６．［３３］㊀ＡＳＭＵＳＳＥＮＲＭ，ＡＤＡＭＳＢＤ，ＣＨＥＮＡＣ．ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆＰｔＰｄｎａｎｏｄｅｎｄｒｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ，２０１３，６８８：１５１－１５７．［３４］㊀ＬＩＭ，ＧＵＯＷＹ，ＳＨＡＮＨＨ，ｅｔａｌ．ＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｔｈａｎｏｌｏｎＰｄ（１１１）：ａｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｔｈｅｏｒｙｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２０１０，２６（３）：１８７９－１８８８．［３５］㊀ＳＵＬＡＩＭＡＮＪＥ，ＺＨＵＳＱ，ＳＨＡＯＭＨ，ｅｔａｌ．Ｐｔ－Ｎｉｏｃｔａ⁃ｈｅｄｒａａｓｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｔｓｆｏｒｔｈｅｅｔｈａｎｏｌｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡＣＳＣａｔａｌ，２０１７，７：５１３４－５１４１．［３６］㊀ＧＯＭＥＳＪＦ，ＢＥＲＧＡＭＡＳＫＩＫ，ＭＩＲＡＮＤＡＰＢ，ｅｔａｌ．Ｒｅ⁃ａｃｔｉｏｎｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｓｏｆｅｔｈａｎｏｌｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｎｐｌａｔｉｎｕｍｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙＳＦＧｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ［Ｊ］．Ｊ．Ｃａｔａｌ，２０１３，３０２：６７－８２．［３７］㊀ＭＡＴＳＵＮＡＧＡＨ，ＮＡＫＡＮＩＳＨＩＹ，ＭＩＴＳＵＢＡＹＡＳＨＩＫ，ｅｔａｌ．Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｎｉｆｆｅｒｓｆｏｒｅｔｈａｎｏｌａｎｄａｃｅｔａｌｄｅｈｙｄｅｉｎｂｒｅａｔｈａｉｒａｆｔｅｒｄｒｉｎｋｉｎｇ［Ｊ］．Ｂｉｏｓｅｎｓ．Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００５，２０：１５７３－１５７９．作者简介：李思达（１９８９ ），硕士研究生，主要研究领域为纳米催化剂设计与制备和电化学气体传感器工艺研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｓｉｄａ＠ｃｉａｃ．ａｃ．ｃｎ通讯作者：苏怡（１９７５ ），副研究员，主要研究领域为电化学传感器及其仪器㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｕｙｉ＠ｃｉａｃ．ａｃ．ｃｎ。

简述光栅尺工作原理及应用光栅尺是一种精密测量仪器，常用于机床、测量仪器等精密加工和检测系统中。

其工作原理基于光学原理和电子技术原理，利用光栅条纹和光电检测器之间的相互作用来实现长度、角度等物理量的测量。

本文将对光栅尺的工作原理和应用进行详细介绍。

一、光栅尺的工作原理光栅尺的基本构成是光栅条纹和光电检测器，其中光栅是由一系列平行的条纹组成的线性光栅，条纹的宽度和间距非常小，精度可达到亚微米级别。

光电检测器则是光电二极管或双晶电子扫描器等电子元器件，能够将光信号转化为电信号。

光栅尺通过将光源、光栅和光电检测器组合在一起，实现对长度、角度等物理量的非接触式测量。

光栅尺的工作原理可以分为三个过程：1、光栅的发光和透射：光栅的条纹宽度和间距非常小，通常在几十或者几百微米范围内，人眼无法看到。

当光源照射到光栅上时，光栅的条纹会发生透射和反射，形成特定的光学线条。

2、光学信号的检测：光电检测器可以将光学信号转化为电学信号，其中包含光栅条纹的信息。

在实际应用中，光电检测器可以采用光电二极管、双晶电子扫描器等元件。

当光学信号入射到光电检测器上时，会产生电流，电流强度与光学信号的亮度成正比。

3、信号处理和计量：将光栅尺检测到的电信号转化为数值信号，可以通过A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号进行记录和处理。

最终，数值信号经过处理得到物理量的数值输出。

除了基本的线性光栅，还有二维、三维光栅尺，其原理和线性光栅类似，不同点在于二维和三维光栅尺可以测量物体的超出线性运动轨迹的角度和形状等复杂运动规律。

二、光栅尺的应用光栅尺广泛应用于精密加工和检测系统中，如机床、精密仪器和制造业等多个领域。

光栅尺的应用主要有以下几个方面：1、长度测量：光栅尺可以测量物体的线性运动轨迹长度，其精度可达到亚微米级别。

光栅尺广泛应用于机床、加工中心、激光加工机等多个领域，能够测量工件、刀具和加工台等物体的长度和移动轨迹。

2、角度测量：光栅尺还可以测量物体的角度，其精度可达到亚角秒级别。

2008年 第5期仪表技术与传感器Instrum ent T echn i que and Sensor 2008 N o 5基金项目:浙江省自然科学基金(X106872)收稿日期:2007-07-19 收修改稿日期:2007-12-11光纤光栅传感系统数据采集与处理技术王晓东,王真之,叶庆卫,周 宇(宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波 315211)摘要:在光纤光栅传感系统中,运用多通道智能光纤光栅解调器采集传感信号,并采用TCP /IP 协议采集光纤光栅解调器各通道的光谱数据,经过峰值检测和温度补偿后,根据传感器的标定数据换算出对应各监测点的物理量,较好地实现了光纤光栅传感系统的数据采集与处理。

并在光纤光栅反射波形的峰值检测技术中引进了指数平移钝化算法替代计算复杂度较高的高斯拟合算法,能有效地减少各种干扰因素引起的峰值波长抖动。

关键词:光纤光栅传感器;数据采集;数据处理;峰值检测中图分类号:TP212;T P274 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2008)05-0047-02Techni ques of Data A cquisition and Processi ng i n F i ber G rati ng Sensi ng Syste mW ANG X i ao dong ,W ANG Zhen zh,i YE Q ing w e,i ZHOU Y u(Facu lty of I n for m ation Sc i ence and E ngi n eer i ng ,N i ngbo Un i versity ,N ingbo 315211,Ch ina)Abstract :T echn i ques of data acquisiti on and process i ng i n fibe r g ra ti ng sensi ng sy stem were i m ple m ented by usi ng a m ulti channe l i nte lli gent opti ca l sensing i n terrogato r for sensory signa ls acqu isiti on ,w hich can ga t her spectra da ta o f each channel v i a T CP /IP pro toco ls .A fter detecting peak and compensati ng te m perature ,it can convert its cali brati on data into physical v al ue for each sensor .In peak detection techno l ogy o f fi ber grati ng reflecti on w avefor m,the pape r i n troduced i n t o the exponen ti a lw e i ghted m ov i ng average ar it h m e tic t o i nstead of G auss i an fitti ng a rith m etic that had h i ghe r co m putationa l co m plex ity ,it can reduce efficiently the jitter o f peak w ave l eng t h t hat caused by var i ous i nterfe rence factors .K ey word s :fi ber g ra ti ng senso rs ;data acqu i sition ;data processi ng ;peak detecti on 0 引言目前,应用光纤光栅传感器的最主要障碍是传感信号的解调[1],理论上研究的解调方法很多,但能够实际应用的解调产品并不多,而且价格较高;由于光源带宽有限、应用中一般要求光栅的反射谱不能重叠,因此可复用光栅的数目受到限制;同时,还需要解决在复合材料中同时测量多轴向的应变,在复杂环境中识别各种环境因素引起的波长变化并且进行合理的补偿等问题。

基于嵌入式的光栅尺精度检测系统设计光栅尺作为一种高精度的位置传感器,因具有测量精度高、可靠性强、响应速度快等优点,广泛应用于各种位移测量系统、数控机床、微电子封装设备当中,用于位置检测装置反馈位移量,实现系统的闭环控制。

因此,作为一种精密测量仪器,光栅尺产品在出厂前都需要对其进行精度检测以保证产品质量。

本课题针对某企业光栅尺大批量精度检测的需求,提出了基于USB2.0接口芯片CY7C68013A和Altera公司的CycloneⅣ系列的FPGA芯片的光栅尺数据采集器,并结合上位机软件构成光栅尺精度检测系统的主要部分,从而实现光栅尺精度检测功能的任务。

本文首先通过介绍光栅尺精度检测原理,分析现有的光栅尺精度检测系统方案和不足,结合光栅尺大批量检测需求的情况下,提出了光栅尺精度检测系统设计方案。

其次,介绍了增量式光栅尺和绝对式光栅尺的工作原理,分析精度检测系统中数据采集器应具备的性能和特点,参与并提出了采用嵌入式方案的光栅尺数据采集器,实现光栅尺位置信号采集。

再者,本文在仔细研究USB2.0通信协议、USB 驱动并结合相关资料的基础上,完成了数据采集器中USB接口芯片固件程序的设计,并对固件程序实现功能进行验证。

参与和完成系统数据采集器和上位机软件之间通信协议的设计,并实现上位机软件的通信模块部分,使系统的上位机软件通过USB接口,能够和数据采集器进行通信,控制数据采集器工作,完成各种检测任务。

最后,通过对系统上位机软件应具备的功能进行需求分析,然后使用数据库、多线程等技术并结合MFC进行上位机软件开发,实现了包括数据库管理模块、软件设置模块、图形绘制模块、产品查询模块等多个模块的功能,配合本系统的数据采集器,精度检测系统能满足企业生产的各种型号的光栅尺精度快速、实时检测的任务。

在本文的最后,通过搭建光栅尺精度检测平台,采集多组数据对基准光栅尺原始精度进行分析,得到基准尺补偿数据表;最后对上位机软件的基准尺精度补偿模块进行验证,确认系统能达到的检测精度,从而保证检测系统的可靠性。

基于PCI总线与CPLD的光栅尺细分采集系统的开题报告一、选题的背景和意义1、背景光栅尺是现代加工中通常使用的一种高精度测量仪器。

在现代数控机床、三维测量等领域中得到了广泛应用。

光栅尺是通过光电检测技术测量局部线位偏移，是一种具有微纳级测量精度的细分测量工具。

随着工业自动化技术的发展，对测量精度的要求越来越高，因此光栅尺的细分采集技术逐渐成为研究领域之一。

2、意义在实际应用中，需要对光栅尺的测量数据进行高精度的采集和处理。

因此，本文将基于PCI总线与CPLD技术，研究光栅尺测量数据采集系统的实现方法和关键技术问题，以提高光栅尺测量数据的采集效率、精度和实时性。

二、主要研究内容本文将研究基于PCI总线与CPLD的光栅尺细分采集系统，其中主要包括以下内容：1、光栅尺的原理及信号处理技术介绍光栅尺的工作原理，分析光栅尺信号的特点，并研究光栅尺信号的处理方法。

2、经典的数据采集系统的研究分析现有的数据采集系统，研究其优缺点，并结合光栅尺的测量特点，探讨符合实际需求的光栅尺细分采集系统的实现方法。

3、PCI总线和CPLD技术的研究介绍PCI总线和CPLD技术的相关知识，研究其在数据采集系统中的应用与实现方法。

4、基于PCI总线与CPLD的光栅尺细分采集系统设计与实现设计并实现基于PCI总线与CPLD的光栅尺细分采集系统，研究其关键技术问题，包括硬件电路设计、软件驱动程序编写、系统软硬件协同等方面等。

5、系统测试与性能评估对研制的光栅尺细分采集系统进行测试和性能评估，验证系统的实际效果和性能。

三、研究方法和技术路线通过文献调研，深入了解PCI总线和CPLD技术的背景和应用现状，掌握光栅尺的工作原理和信号处理技术。

在此基础上，结合实际需求，分析经典数据采集系统，研究其优缺点，设计出符合实际需求的光栅尺细分采集系统。

在系统实现过程中，需要进一步深入研究PCI总线和CPLD技术，设计硬件电路和软件驱动程序。

最终，对研制的系统进行测试和性能评估，并进行优化。

《面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统及帧结构研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，光纤光栅传感器技术在诸多领域如地震监测、环境检测等获得了广泛的应用。

对于大规模的传感网络而言，数据的准确性和实时性显得尤为重要。

为了实现对这些传感器所获取的精确数据进行有效、高效地采集和传输，面向GPON（Gigabit Passive Optical Network，吉比特无源光网络）的光纤光栅传感数据采集系统应运而生。

本文旨在探讨这一系统的具体构造和实现，以及其核心部分的帧结构研究。

二、光纤光栅传感数据采集系统概述面向GPON的光纤光栅传感数据采集系统主要包括传感器节点、数据采集单元、GPON传输网络以及数据中心四个部分。

传感器节点负责环境数据的感知和初步处理；数据采集单元负责从传感器节点中获取数据并进行预处理；GPON传输网络负责将预处理后的数据传输到数据中心；数据中心则负责数据的存储、分析和应用。

三、系统关键技术及实现1. 传感器节点设计：传感器节点采用光纤光栅传感器，具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性的特点。

同时，通过优化传感器节点的布局和配置，提高其环境适应性。

2. 数据采集单元：数据采集单元采用高性能的微处理器和数字信号处理技术，实现对传感器节点数据的快速、准确采集。

同时，采用低功耗设计，延长系统的使用寿命。

3. GPON传输网络：GPON作为一种高速、大容量的传输技术，能够满足大量数据的传输需求。

通过优化GPON的传输协议和帧结构，提高数据的传输效率和可靠性。

4. 数据中心：数据中心采用分布式存储和云计算技术，实现对大量数据的存储、分析和应用。

同时，通过数据挖掘和机器学习等技术，提取数据的价值信息，为决策提供支持。

四、帧结构研究GPON的帧结构是数据传输的核心部分，直接影响到数据的传输效率和可靠性。

针对光纤光栅传感数据的特点，我们设计了如下的帧结构：1. 帧头：包括帧起始标志、帧长度等信息，用于接收端识别和同步。