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1、基于FPGA的分布式光纤测温系统开发Temperature Measurement System of Distributed Optical Fiber Based on FPGA目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状31.2.2 国内研究现状31.3 分布式光纤测温原理41.4 课题研究的主要内容5第2章 总体方案设计62.1 设计要求62.2 方案设计62.3 FPGA选型92.4 本章小结9第3章 系统核心硬件设计103.1 基于FPGA的硬件电路103.2 硬件电路各模块设计103.2.1 FPGA
2、模块103.2.2 复位模块113.2.3 时钟模块123.2.4 JTAG和AS模块133.2.5 数码管显示模块143.2.6 UART模块143.2.7 光电转换模块163.2.8 A/D模块173.2.9 电源模块203.3 本章小结21第4章 系统软件设计224.1 软件设计环境224.2 软件整体设计234.3 软件模块设计244.3.1 时钟分频模块设计244.3.2 串口通信模块设计254.3.3 数码管模块设计284.3.4 A/D模块设计304.3.5 DSP模块设计324.4 本章小结33结论34致谢35参考文献36摘 要在很多领域中对环境或设备温度的采集和控制都是非常有
3、必要的，尤其是在电力、石油和化工等一些重要的行业中保证对温度的实时监控更是关键。传统的单点式温度传感器在对大范围的测温使用上具有一定的局限性，需要研究一种新的分布式温度测量装置来满足要求。随着基于光纤的传感技术的不断发展和完善，采用光纤实现分布式测温已经开始被广泛应用，而FPGA作为一种功能强大的可编程逻辑器件为分布式光纤测温系统中的数据处理提供了新的选择。本设计根据分布式光纤测温系统的设计功能要求和实际需求对整体方案进行了讨论分析，并分别给出了相应的硬件方案设计和软件方案设计，其中硬件系统主要是基于FPGA的数据处理和基于光电转换的光路设计，软件系统则是通过Verilog HDL语言在Qua
4、rtus II软件平台上实现了FPGA内部数据转换、计算和显示等功能。关键词：分布式光纤测温；拉曼散射；FPGA；数据处理ABSTRACTIt is necessary to acquire and control the temperature of environment or equipment in many fields, especially in some important fields like electric power, petroleum and chemical industry etc. which need to guarantee real-time moni
5、toring of temperature. There are some limitations to use a traditional single point temperature sensor for a wide range of temperature measurement, so we need to study a new kind of distributed temperature measurement device to meet the requirements.With the continuous development of fiber sensing t
6、echnology based on the optical, the distributed temperature measurement is realized by using optical fiber has been widely used, and the FPGA provides a new choice, which as a kind of powerful programmable logic devices for data processing in distributed optical fiber temperature measurement system.
7、This design of the distributed optical fiber temperature measurement system is discussed and analyzed according to the function requirement and the actual demand of the overall scheme, and the corresponding hardware design and software design are given. Hardware system is mainly based on FPGA to dea
8、l with data processing, and optical path design based on photoelectric conversion. Software system designed by Verilog HDL language in the QuartusII software platform realizes the FPGA internal data conversion, calculation and display, and other functions.Key words: Distributed fiber temperature-mea
9、sured；Raman scattering；FPGA；Data processingII吉林建筑大学城建学院电气信息工程系毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义在各种农业和工业生产甚至日常的生活中，对环境或者设备温度的采集和控制都是非常有必要的，尤其是在一些重要的行业中保证对温度的实时监控是非常关键的1-2。比如在电力行业中需要对变压器、电缆和发电机等各种电力设备的运行温度进行实时监控，防止由于温度过高损坏设备或引起其他更为严重的事故；还有石油和天然气等能源采集和传输领域，对温度的要求更为严格，温度异常将会发生灾难性的后果；另外温度监测还应用在火灾预防及报警相关领域中，在火
10、灾发生时能够通过探测高温的方法实现火灾发现和报警，为被困人员提供更多的疏散时间。由此可见，温度检测设备对于现代化的工业发展和人们生活是非常重要的，随着社会的不断发展，对温度检测设备的性能要求也越来越高，相关科研机构也在不断地探索新的测温方法。随着基于光纤的传感技术的不断发展和完善，采用光纤实现测温作为一种新型的方法也开始被深入的研究和广泛的应用3。基于光纤实现的温度传感器与一般的常规温度传感器有一定的区别，光纤温度传感器是一种分布式的测温方法，也就是在整条实现传感器的光纤线路上均可以进行测温的目的，呈现一种分布式的连续空间测量范围，实现的测温范围更广。传统的点式温度传感器由于其技术上实现容易且
11、设计简单等特点，已经实现了长足的发展，但是对于连续空间的温度测量使用大量的点式温度传感器又是不太现实的，故基于光纤的分布式测温方案来完成连续空间的大范围温度测量是一种可行的方法。目前，使用光纤实现的分布式测温方案虽然在成本上高于单点温度传感器，但是其在性价比上确是处于优势位置，并且一条光纤温度传感器的测温距离可以达到几公里。采用基于光纤的分布式温度测量方法具有很多优点4，包括有：光纤材料本身具有完全的绝缘性和很强的抗干扰性，能够有效地防止大电流和高电压对其产生的冲击，另外光纤还具有耐腐蚀等强悍的环境适应能力；光纤中传播的是光信号，具有传播速度快，温度测量响应实时性高的优点；基于光纤实现的温度测
12、量精度高，能够反应较小的温度变化；测量的范围广，可以实现连续测量温度的距离最大超过了10公里。正是由于采用光纤作为温度传感器实现的分布式温度测量具有这么多的优点，世界各国的相关研究机构对其都有浓厚的兴趣，都展开了深入的研究5。因此，对基于分布式光纤实现的测温系统进行研究是很有必要的。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外对基于分布式光纤的温度测量系统的研究开展的比较早，技术也更为成熟，其最早是在上个世纪七十年代末期的时候由美国研究人员Rogers及其同事提出的6，其采用的原理是利用光纤在不同温度先发出的散射光的强度是存在不同的，这种方式简称为POTDR技术，在随后的八十年代中由Ha
13、rtog所在的实验室成功制作出对应的实验设备验证了其正确性。英国对于分布式光纤温度测量系统的研究贡献巨大，其首先提出了完整的系统设计方案，并采用了至今仍在广泛使用的基于拉曼散射温度效应原理，该思想是英国的Dakin博士所在的研究中心提出的7，并在提出之后的第二年成功的利用了光纤传感器和激光发生器实现了长达100多米距离的温度测量，测量的温度范围为70到910K，测量的温度精度已经达到了10K，温度定位分辨率也是在8米以内。在完成实验室的验证之后，研究中心又通过使用半导体激光器和光电转换器来完善系统，使得系统的设计更为紧凑和实用。同样是在英国，南安普敦大学在随后也进行了同样的实验，实现的测量精度
14、和空间分辨率更高。由此引起了相关的工业产品生产部门和科技生产部门的注意，并成功将其转换为了实用价值非常高的产品。在1988年的时候，英国的YORK公司正式面向市场退出了一种基于拉曼散射原理的分布式光纤温度传感器系统8，其一面市就取得了良好的市场，被广泛的应用在不同领域中。该产品实现的温度测量范围为-50到+125摄氏度，测量的精度为3摄氏度，温度测量的空间分布分辨率也提高到了7米以内，但是测量距离仅为500米。随着科研人员对光纤技术、激光发生器以及信号信号处理技术的深入研究，目前英国的YORK公司最新的分布式光纤温度传感器型号为DTS-800已经能够实现距离长达30公里的温度测量。国外对分布式
15、光纤温度传感器的研究不仅仅是英国，美国和日本等发达国家对其也有很大的研究成果。日本在上个世纪九十年代的时候已经由腾仓公司自主研制开发出了DTS-10009，而日本在1992年已经能够实现长达7公里的分布式温度传感器设计，空间分辨率更是达到了3米以内。美国对该领域的研究成功主要是1998年由美国航天局为其飞行设备上需要安装分布式光纤温度传感器10，该系统是利用了光纤向后散射的过程中形成的斯托克斯和反斯托克斯光谱的区别进行温度信息采集，其具有更为精确的温度分辨率，已经广泛的应用在各种长距离的输油管道和电力输电线路等领域中。德国在该领域杰出的代表是GESO技术公司，该公司研究出的产品的优势主要体现在
16、对分布式空间位置的分辨率很高，可以达到0.5米以内，是目前在空间分辨率上做的最好的产品。总体来说，国外目前对分布式光纤已经比较成熟，已有的产品也有很多，高精度和低成本是国外当前的研究方向。1.2.2 国内研究现状国内对分布式光纤温度传感器的研究起步比国外稍微晚一点，国内最早是重庆大学于上个世纪八十年代后期开始对其展开了研究11-12，设计并完成了相关可行性分析的实验，并完成了具有测量温度距离为1公里，空间分布分辨率达到6米以内的高精度温度传感器，为国内相关研究起了关键的作用。随后在九十年代，中科院联合计量学院一起对分布式光纤的温度测量技术中的距离问题展开研究13，从原来的1公里逐渐增加到2公里
17、、到最后达到了国际水平的30公里，在这个过程中由张在宣等人完成将半导体激光器作为测温系统的光源有着关键的作用14-15，其使得光的传输距离大大增长。随着国内科研成果的不断积累，分布式光纤测温技术逐渐从实验室走向了实际应用，国内越来越多的公司将科研成果转换为实际的产品，打破了由国外相关产品完全垄断的局面。比如国内具有自主研发能力的浙江宁波振东光电有限公司就已经成功的推出了具有自主知识产权的产品16，实现的测温方位为-20到+120摄氏度，测量的范围一般在20公里左右，实现的测量精度完全能够满足实际需求，产品已经成功应用在电力相关领域中。深圳市的明鑫科技有限公司通过具备有很强的自主研发能力，研发的
18、产品更是高性能，实现的测温范围从-30到+300摄氏度，温度的分辨率更是高达0.1摄氏度，空间分辨率位3米以内，能够实现的温度测量距离可以达到30公里，这些技术都已经达到了国际先进的水平，表明目前国内相关技术已经完全跟上了国外的步伐。国内针对分布式光纤测温系统的研究已经具备了较高的水平，目前国内研究的内容主要为以下几个方面17-18：1.需要进一步提高产品的性能，从温度的分辨率和温度的测量范围以及空间的测量范围都需要进行深入的研究，保证产品具有高性能才能在更多的领域中实现应用；2.注重新材料的研究，实现分布式光纤温度传感器的很大原因是很大新材料的出现，尤其是光纤技术和半导体激光器的研发，一次次
19、新材料上的实现的突破都为产品性能的提高做出了极大的贡献；3.提高自主研发的能力，只有实现完全的自主知识产权话才能够保证产品具有较强的竞争力，同时也能提高经济效益；4.增大应用领域，分布式光纤温度传感器的应用领域是很广泛的，通过不断的寻找应用领域才能够将其更好的应用在实际中，从而也会更有利于技术的发展。目前，国内已经有十几家的公司和很多的高校研发机构对分布式光纤测温技术进行深入研究，其实现的产品也是各种各样的。本文对基于FPGA实现的分布式光纤测温系统进行深入研究，是对其进行的一次有益的探索。1.3 分布式光纤测温原理总所周知，光在介质中传播的时候会发生一定的散射，使得光的传播方向发生了变化，其
20、中光的散射主要有三种类型：分别为瑞利散射（Rayleigh）、拉曼散射（Raman）和布里渊散射（Brillouin），三种不同的散射类型的光谱频率分布如图1-1所示。图1-1 光纤散射三种类型示意图针对图1-1所示的三种不同的散射类型，下面对这三种不同的类型进行详细分析说明。1.瑞利散射瑞利散射是一种光纤折射率变化形成的散射现象，其特点是入射光和散射光的频率相同，同时瑞利散射的光强度是最强的。采用瑞利散射原理实现的分布式传感系统一般采用的是光时域反射（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）来实现对不同空间位置情况的分析，而检测瑞利散射光的常用方法则是通
21、过检测接收到的瑞利散射光的强度来实现的。瑞利散射原理是最早使用在分布式光纤温度传感器系统中的，但是由于其对温度发生的变化不是很灵敏，导致其测量温度的范围以及精度都受到了极大的限制，目前已经很少采用该原理实现了。2.布里渊散射布里渊散射是由于光子和声子之间产生的非弹性碰撞形成的散射现象，布里渊散射光的频率是会发生变化的，这与瑞利散射是不同的，同时布里渊散射光的频率变化与光纤所在环境的温度和应力是有关的，由于存在着应力因素的影响，使得对布里渊散射光受温度影响和受应力影响进行判断区分是比较困难的。另外，基于布里渊散射原理的测温系统在实现上造价昂贵，频率与入射光的频率相近等原因，导致其一直没有被大规模
22、使用。3.拉曼散射拉曼散射是光纤中的介质分子与入射光的光子之间的相互作用引起的散射现象，在发生碰撞的过程中，入射光中的光子和光纤介质中的分子发生了能量交换，使得光子的传播方向发生改变同时光子携带的能量的变化也导致其频率发生了改变。在拉曼散射的过程中，如果光子的能量增加的话其散射光的频率增大，称之为反斯托克斯光（Anti-Stokes），反之如果光子的能力减小的话其散射光的频率减小，称之为斯托克斯光（Stokes），两个光谱分布的位置是基本对称的。在研究中发现，Anti-Stokes受到温度影响比较大，而Stokes几乎不受周围环境因素的影响，故通过两个光谱的比较可以消除应力和光纤弯曲等其他因素
23、的影响，使得温度的测量更为准确。基于拉曼散射的原理实现的分布式光纤测温系统能对温度变化有更好的敏感性，能够达到很好的测温精度，同时散射光的频率与入射光的频率相差较大，能够较好的进行分离。综上所述，采用拉曼散射原理更适用于分布式光纤测温系统的设计和开发。由于光纤能自发形成拉曼散射效应，在通过OTDR技术实现空间定位是完成整个系统功能的关键原理。1.4 课题研究的主要内容在本设计中主要针对以下问题：第一，详细地分析讨论了分布式光纤测温系统实现的整体要求，给出最适合于本设计的数据处理方案，从而实现了分布式光纤测温系统的整体设计方案，并对其中关键硬件器件FPGA进行具体选型；第二，给出了硬件电路的总体
24、设计，包括：FPGA模块、复位模块、时钟模块、JTAG/AS模块、数码管模块、UART模块、A/D模块、光电转换和电源模块；第三，通过Quartus II软件实现了软件的整体设计，包括有：时钟分频模块、数码管模块、串口通信模块、DSP模块、A/D模块和同步模块6个部分，通过所设计的软件实现了分布式光纤测温系统需要的功能。第2章 总体方案设计2.1 设计要求综合当前人们对分布式光纤测温系统的发展现状及应用需求，对本设计进行功能分析研究，需要满足分布式光纤测温系统的高精度要求和用户方便可靠的对其进行操作，为此，本课题需要完成的任务主要涉及分布式光纤测温系统的硬件设计和分布式光纤测温系统的软件设计两
25、大模块。为了使本设计项目具有实用价值，真正投入到实际应用，能够对各种不同的使用场合都能精确的测温和定位，而且考虑其复杂环境适应性、多功能性、稳定性以及实用性等指标要求，设计应满足以下方面：1.硬件电控方面，首先应能够正常工作，其次追求其稳定性、抗干扰性、实用性等；2.软件设计方面，追求代码的严谨性、全面性、稳定性以及系统工作可靠性等；3.整体设计方面，追求系统协调性，无论从硬件设计到软件控制，整体都能稳定协调工作；4.实际应用方面，在使用应用方面需要满足：实用性：追求其实用性，能够完成精确测温需求，工作稳定可靠；经济性：在保证性能指标的前提下，考虑其低成本设计；大众性：使其面向普通大众用户，非
26、专业人士同样可在短时间内学会操作本系统；可扩展性：无论是模块，还是整体，灵活设计。2.2 方案设计分布式光纤测温系统是在半导体激光发生器产生的具有一定周期规律的光脉冲信号作用下，短光脉冲在传感器光纤中传播的过程中，在各个不同的位置都会发生拉曼散射，而其散射是反向传播的，能够在光波发送端收到拉曼散射的Stokes和Anti-Stokes两种光波，由于两个光波的频率是分布在入射光频率的两侧，所有需要通过分光器得到两个不同的光波后再由两个不同的光滤波器进行滤波，完成消去其他杂波之后将Stokes和Anti-Stokes两种光波分别通过两个光电转换器（Avalanche Photodiode，APD）
27、将光信号转换为电信号再送入到最终信号处理单元中，通过信号处理模块中的数据处理和计算得到每个位置对应的温度，并可以显示出不同位置的温度情况，如图2-1所示为系统的总体设计方案。图2-1 系统总体设计示意图在图2-1所示的系统设计中，主要部分是信号处理模块的设计，其是实现整个系统的关键部分，也是本设计的重点，下面对不同的信号处理模块的设计方案进行分析对比，从而选择出最为适合的方案。方案一：采用单片机+DSP为核心的控制方案该方案采用的是单片机和DSP联合的方式，通过单片机控制A/D芯片接收来自光电转换模块的模拟量信息，将模拟量信息转换为数字量信息传输给DSP，由DSP芯片实现数据计算的功能，从而弥
28、补了单片机在数据计算处理上存在的缺陷，DSP将计算完成的结果返回到单片机中，由单片机进行显示或者上次到上位机中，方案一系统设计方案如图2-2所示。图2-2 方案一系统组成框图方案二：采用FPGA为核心的控制方案如图2-3所示为基于FPGA的设计方案，该方案中采用FPGA为核心控制芯片，其在FPGA内部实现了DSP芯片的功能，其他硬件环境与基于单片机的设计方案相同，即将FPGA系统取代单片机系统和DSP系统。可以在FPGA内部实现一个DSP专用芯片的电路，从而可以省去外部DSP芯片的使用。图2-3 方案二系统组成框图上述的基于单片机+DSP的设计方案和基于FPGA的设计方案采用的核心芯片都不一样
29、，这就决定了所述的3种方案具有不同的特点，下面对这2种不同的方案进行详细的对比分析，从而选出最佳方案。基于单片机+DSP实现的方案是利用到单片机的成本比较低，在实现的过程中通过C语言编程也比较容易实现，但是单片机的时钟信号频率不高，同时内部的指令周期也比较长，如果软件编程优化不够的话还会造成更多的指令周期的浪费，由于这些原因造成由单片机实现的计算能力有限，同时单片机自身的资源有限决定了其不能单独实现数据处理，故需要采用专门的DSP芯片来辅助完成计算任务。基于FPGA实现的方案是分布式光纤测温系统中的数据处理模块的发展趋势，其借助于FPGA内部电路的可编程特点，同时FPGA芯片程序并行处理，芯片
30、频率高的特点都有利于实现高速计算，FPGA芯片相比单片机芯片或DSP芯片成本会高一些，但是随着FPGA技术的发展，其成本也越来越低，性能却越来越强悍。采用FPGA实现的数据处理模块是在其内部实现一个DSP逻辑电路，该功能基本可以满足一般的计算需要，另外FPGA并行处理机制可以运行其在计算的同时保证实时对数据的传输进行处理。综上所述，通过对数据处理模块设计方案的比较可以知道，基于单片机+DSP实现的方案具有较好的成本优势，也是目前使用比较多的方案，但是采用FPGA实现的方案才是未来的发展方向。高性能的数据处理模块需要FPGA的高工作时钟频率和可编程电路的支持，其实现的成本也可以接受。因此，本设计
31、采用的方案为基于FPGA实现的。2.3 FPGA选型FPGA作为一种可编程逻辑器件，其的出现极大的改变了传统的集成芯片的设计方案。传统的单片机和ARM集成电路均是采用的串行结果，FPGA内部程序可以并行处理，辅以流水线结构，FPGA的处理能力和处理速度比单片机和ARM等芯片高出许多，已经被广泛的使用在各种硬件算法加速器中19-20。FPGA结合了微电子技术、EDA设计技术和电子电路设计技术，实现了可编程实现的各种电路，使得芯片的设计验证变得更为容易，设计也更加灵活。FPGA芯片是美国的Xilinx公司最先生产出来的，现在主要有两大主流厂商：Xilinx和Altera，其一起控制了FPGA市场7
32、0%以上。Xilinx公司的FPGA芯片主要有Sparten系列的低成本芯片和Virtex系列的高端芯片，最新推出的基于22nm技术7系列芯片更是分成了3种不同等级的芯片，为用户提供了更多的选择。Altera公司的产生主要分为三个不同的等级：Cyclone系列的低成本设计芯片、Arria中高端设计芯片和Stratix系列的高端军工级芯片，不同系列的芯片中还细分有很多不同的型号，为FPGA用户提供更多的选择方案。考虑到分布式光纤测温系统的飞速发展，对数据处理的要求越来越高，需要选择一款性能更好的FPGA来代替传统的单片机方案。随着FPGA的在各个领域中的广泛应用，使用FPGA来实现分布式光纤测温
33、系统也是必然的趋势，其可靠性更高，设计硬件电路也更为简单，减少了很多不必要的外围元件，其在设计过程中可以借助很多EDA设计软件进行调试检验，另外，FPGA的设计方案的好坏与FPGA本身无关，其使用的HDL语言及其他设计方法并不会对方案造成影响，方案的移植具有更好的灵活性。根据上述的分布式光纤测温系统的设计要求和功能需求，经过对比和研究，决定采用Altera公司生产具有低成本低功耗的Cyclone系列芯片作为本方案的FPGA芯片，具体型号为EP3C25Q240C8N。2.4 本章小结本章详细地分析了分布式光纤测温系统实现的整体要求，根据实际需求给出最适合于本设计的数据处理方案，从而实现了分布式光
34、纤测温系统的整体设计方案，并按照方案对分布式光纤测温系统中包含的关键硬件器件FPGA进行具体选型。第3章 系统核心硬件设计3.1 基于FPGA的硬件电路所设计的基于FPGA的分布式测温系统的硬件电路设计如图3-1所示，其中硬件设计主要包括有：一片型号为EP3C25Q240C8N的FPGA芯片、用于显示的4位数码管、电源模块、下载调试模块、复位模块、时钟模块、UART模块和光电转换+A/D模块。图3-1 基于FPGA硬件电路设计在图3-1中，FPGA接收来自光电转换和A/D模块处理后的数字量信息，通过FPGA内部的DSP计算模块实现计算任务之后再由UART串口通信模块将数据上传到上位机中，同时也
35、在FPGA本地由数码管进行简单显示，所设计的程序是通过JTAG接口下载到FPGA中，并且可以采用JTAG对程序进行在线调试，时钟和电源以及复位电路是FPGA工作的必备外围电路，同时还设置有LED等简单外设，方便今后功能扩展。3.2 硬件电路各模块设计3.2.1 FPGA模块所采用的FPGA选用的是Altera公司生产具有低成本低功耗的Cyclone系列芯片，具体型号为EP3C25Q240C8N，该芯片内部资源丰富，对于分布式光纤测温系统的设计能够满足功能要求，具体的特点如下：（1）具有丰富的FPGA内部布线资源，一个芯片上一共具有24624个左右的内部可编程逻辑单元；（2）提供足够的运算资源，
36、一共有132个左右的99内嵌乘法器；（3）含有大量可用的片内块RAM，块RAM的容量达到了608256bits，块RAM可以配置为双端口RAM或者FIFO等存储器；（4）具有丰富的I/O接口，为用户提供了最多有149个可用的I/O管脚；（5）提供有高精度的4个PLL时钟锁相环。如图3-2所示为EP3C25Q240C8N芯片的硬件设计原理图。图3-2 EP3C25Q240C8N芯片电路原理图3.2.2 复位模块一般一个FPGA设计的最小系统除了FPGA之外主要由一个复位电路和外接一个时钟电路构成。如图3-3所示为EP3C25Q240C8N芯片的复位电路原理图。在设计FPGA的复位电路之前，首先要
37、明确知道所用FPGA芯片是采用高电平复位方案还是采用低电平复位的方案，常用的各种型号的51单片机多采用的是高电平复位的方案，而FPGA芯片则与其不同采用的是低电平复位的方案。图3-3中的电容C71参数为0.1uF，其作用是消除按键产生的干扰和杂波情况。当FPGA系统处于正常工作状态时，按下按键KEY，则复位管脚对应的电平信号被拉低，使FPGA芯片处于复位状态。图3-3 复位电路原理图3.2.3 时钟模块一般一个FPGA设计的最小系统除了FPGA之外主要由一个复位电路和外接一个时钟电路构成。如图3-4所示为EP2C5Q208C8芯片的时钟电路原理图。图3-4 时钟电路原理图FPGA的时钟是通过外
38、部的有源晶振提供的，如图3-4所示，晶振对于FPGA而言是十分重要的，它作为FPGA的时钟提供者，为FPGA提供所需的时钟频率，如果没有使用晶振的话，FPGA是不能正常工作的。图3-4所示的时钟电路选择的外部有源晶振的时钟频率为50MHz，图3-4中的电容C67的参数为0.1uF，它的作用是提高晶振提供的时钟精度。在硬件电路设计时，晶振要尽量靠近FPGA的时钟输入管脚。另外有源晶振的时钟输出需要串联一个33欧姆的电阻，其作用是为了减小反射波，避免反射波叠加引起过冲，从而提高时钟的精度。3.2.4 JTAG和AS模块FPGA芯片的编程调试需要用到JTAG接口，通过该接口将程序下载到FPGA内部进
39、行实时在线调试，当完成调试工作之后修改程序，再将最终实现的程序通过AS下载接口下载到与FPGA相连的FLASH芯片EPCS64中，如图3-5所示为FPGA的JTAG和AS的电路原理图。图3-5 JTAG/AS电路原理图如图3-5所示为FPGA芯片电路原理图中的AS和JTAG部分，其中JTAG下载部分由一个2*5的母线插槽直接与FPGA管脚相连接，其中需要几个上拉电阻。AS下载部分则需要2*5的母线插槽和EPCS64芯片，工作时先由下载器将程序从PC机下载到EPCS64芯片，然后再将EPCS64芯片中的程序读取出来在FPGA中执行。3.2.5 数码管显示模块对于分布式光纤测温系统而言，将采集的温
40、度的情况实时地显示给用户看是很有必要的，一般采用数码管的形式将温度对应的数值显示出来即可达到目的。如图3-6所示为数码管的电路原理图，该数码管可以表现出4个数字，分别通过4个不同的关键DIG1-DIG4进行选择控制，每个数字显示的内容由七段数码管的形式表现，具体由A-G管脚和DP管脚控制。图3-6 数码管电路原理图如图3-6所示为数码管的电路原理图，一共采用4位七段数码管。对于七段数码管而言，如果由多个数码管构成多位数字，那么其显示就可以采用不同的方法来完成，分别为静态显示的方法和动态显示的方法。静态显示的方案就是某个七段数码管中的数字是一直显示的，发光二极管处于恒导通状态，这种方式下需要对每
41、个数码管都分配相应的9个I/O管脚，对于用于四个数字的七段数码管就需要单片机的分配相应的36个I/O管脚，对单片机的管脚I/O需求很大。动态显示的方案就是通过扫描的方式来显示数字，即在第一时刻选同第一个数码管，第一个数码管的选通信号有效，其他的数码管选通信号无效，在8个数字信息I/O管脚中给出需要显示的数字，然后进入第二个时刻选通第二个数码管，第二个数码管的选通信号有效，其他数码管的选通信号无效，在8个数字信息I/O管脚中给出需要显示的数字，以此类推进入第三和第四时刻，以四个数码管的显示扫描为周期，只要扫描显示的时间间隔超过人眼的分辨能力即可。虽然动态显示的方式的数码管显示不如静态显示的数码管
42、稳定，但是能够大大地减少管脚的使用数量，如图3-6所示即为采用动态扫描的方式实现的数码管电路原理图，数码管可以表现出4个数字，分别通过4个不同的关键DIG1-DIG4进行选择控制，每个数字显示的内容由七段数码管的形式表现，具体由A-G管脚和DP管脚控制，整个数码管的显示采用不停的扫描显示方案。3.2.6 UART模块串口通信则是用户一些慢速的少量数据传输的场合，与另外一种并行通信相比而言对于数据间的同步要求不高，在并行数据传输的时钟信号越高的情况下对数据间的同步要求也就越高，相比之下采用串行数据传输方案实现的数据传输对于数据的同步要求比较低，可靠性也比较高。本设计对于数据的传输速度要求不高，故
43、采用最为简单的串口通信即可，如图3-7所示为串口通信的电路原理图。图3-7 串口通信电路原理图如图3-7所示为基于MAX232的串口通信电路图，在该方案中只需要使用UART_TXD和UART_RXD两个管脚即可实现数据的发送和接收，其中接收数据的端口需要采用一个上拉电阻将其在没有数据流通的数据处于高电平状态。MAX232芯片是常用的串口通信电平转换芯片，能够将PC机中的高电平信号转换为FPGA系统需要低电平信号，如表3-1所示为MAX232芯片的管脚功能表。表3-1 MAX232管脚功能管脚功能R1/2IN第一/二接收通道TTL端R1/2OUT第一/二接收通道COMS端T1/2IN第一/二发送
44、通道COMS端T1/2OUT第一/二发送通道TTL端C1+/- C2+/-电荷泵电路VDD/VEE电荷泵电源和接地VCC芯片电源GND芯片地如图3-7可知，在MAX232芯片中需要电荷泵电路来产生TTL端需要的电平，从而通过RS232线将PC机和FPGA进行连接，其中电容采用的都是容值为0.1uF的无极性电容。串口通信是连接测温系统和上位机的有效方式，其只需要一根传输线，传输线中采用的是串行数据传输的方案，硬件连接上只需要两根数据传输线，分别为数据发送和数据接收，能够实现一种全双工的通信方式，下面针对串口通信的软件设计进行详细说明。一个完整的232串口通信的数据格式可以表示为一个几个部分：1.
45、起始位1bit，数据格式中用一个起始位来表示通信发送端或者接收端需要发送或者接收到有效的数据信息了，起始位一般用一个低电平的数据来表示。2.数据位8bit，数据位就是串口通信连接的两端需要的传输的数据信息，这个数据信息才是最为重要的信息，一次传输定义数据信息只有8bit，传输过程中低位的数据先发送，高位的数据后发送，接收的时候也是先接收到低位的数据，然后才能接收到高位的数据。3.奇偶检验位1bit，为了提高串口通信两端数据传输的可靠性，可以采用在通信数据中加入奇偶检验位的方式来判断传输数据的正确性，其有时候可以采用2bit的方式来表示。4.停止位1bit，在数据发送完毕的时候，还需要通过一个停
46、止位来表示数据发送已经完毕，从而接收端在接收端停止位的信息的时候能够停止接收数据，停止位一般采用高电平表示，另外停止位也可以用2bit的方式来表示。5.空闲位nbit，在通信两端的通信链路上没有数据需要传输的时候可以通过填充空闲位的方式来说明当前无有效数据发送的状态，空闲位一般采用的是高电平的方式来表示。图3-8 串口通信数据格式如图3-8所示为串口通信完整的数据格式，在这个数据格式中是比较完整的方式，在实际使用中可以根据使用场合进行适当的简化，本设计使用的通信格式为1bit的起始位、8bit的数据位和1bit的停止位的方式，其一共有10bit组成，能够实现完整的串口数据交互。3.2.7 光电
47、转换模块分布式光纤返回的拉曼散射光波中的Anti-Stokes和Stokes光波分别经过两个一样的光电转换器（Avalanche Photodiode，APD）将光信号转换为电信号再送入到最终信号处理单元中，如图3-9所示为光电转换的电路原理图。图3-9 光电转换电路原理图在图3-9所示的光电转换电路中，主要使用的器件是APD以及型号为AD708的运放，其中APD直接采用了成都莱特瑞科公司的光电转换器，其性能稳定，工作可靠，是一种比较常用的雪崩型光电转换器，具体的参数如表3-2所示。表3-2 APD具体功能参数功能参数转换速度2.5Gb/s响应度10A/W(25)响应波长900-1700nm工
48、作温度-40到+85结构平面正照在图3-9中还使用了AD708实现了放大电路，在由AD708工程的放大电路中，APD被当作为一个电流源来对待，电流源在不同的光照强度下对应产生不同大小的电流，而该电流在经过两个运算放大器的作用下，将对应的电流信号转变为表示光照强弱的电压信号，并通过SigalA和SigalB输出。3.2.8 A/D模块在本设计中使用到的A/D数模转换模块采用的是一种高速的数模转换芯片AD9288，其转换的速度能够达到100M，并且一块芯片具有独立的双通道，正好满足本设计对应的两路模拟量输入信号。芯片AD9288的具体功能参数如表3-3所示。表3-3 AD9288管脚功能功能参数分辨率8bit通道数2独立通道转换速率