[发明专利]用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备及其方法

权利要求书

1.一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，包括同步脉冲发生器、光电模块、模数转换器、FPGA、第一DDR存储器、第二DDR存储器和高性能工业计算机，其特征在于：所述同步脉冲发生器分别连接所述光电模块和FPGA ，所述光电模块连接所述模数转换器，所述模数转换器连接所述FPGA，所述FPGA分别连接所述第一DDR存储器、第二DDR存储器和高性能工业计算机。

2.根据权利要求1所述的用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备，其特征在于：所述FPGA内部设计为由数据采集控制单元、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元、第一FFT处理单元、第二FFT处理单元、预处理数据控制单元、FIFO存储器和PCIE接口控制器组成，所述的数据采集控制单元分别连接同步脉冲发生器、模数转换器、第一存储器控制单元、第二存储器控制单元和预处理数据控制单元，所述第一存储控制器单元连接所述第一DDR存储器，所述第二存储控制器单元连接所述第二DDR存储器，所述预处理数据控制单元分别连接第一FFT处理单元、第二FFT处理单元和FIFO存储器，所述FIFO存储器连接PCIE接口控制器，所述PCIE接口控制器连接高性能工业计算机。

3.一种用于光纤振动测量系统的实时数据采集与信号预处理设备的实现方法，包括下述步骤：

第一步，同步脉冲发生器产生具有一定脉冲宽度和重复频率的同步信号；

第二步，当同步信号产生时，光电模块发射脉冲激光，同时接收到有效的激光干涉信号并将其转换成有效的电压信号；

第三步，模数转换器把电压信号转换成数字信号；

第四步，FPGA采集模数转换器输出的数字信号，并完成缓存（即数据存入第一DDR存储器或第二DDR存储器）、数据重排列、FFT变换、最后经PCIE总线输出；

第五步，高性能工业计算机接收FPGA经PCIE总线发来的数据，进行后续算法处理和数据分析。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述第四步采用乒乓数据缓存和预处理的方式。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述乒乓数据缓存和预处理的方式实现步骤包括：

第41步：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据,并通过第一存储器控制单元把数据存入第一DDR存储器；

（2）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（3）当同步脉冲信号产生次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组，这时，对同步脉冲信号产生次数清零，转入第42步；

第42步：并行执行下列功能：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据,并通过第二存储器控制单元把数据存入第二DDR存储器；

（2）第一存储器控制单元从第一DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第一FFT处理单元；

（3）第一FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元；

（4）预处理数据控制单元把第一FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器；

（5）当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；

（6）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（7）当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第二DDR存储器已经存储了一个二维数组；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第一DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第43步；

第43步：并行执行下列功能：

（1）当FPGA接收到同步脉冲信号时，数据采集控制单元开始采集一组数据,并通过第一存储器控制单元把数据存入第一DDR存储器；

（2）第二存储器控制单元从第二DDR存储器中存储的二维数组按列的顺序取数据，把这些按列取出的数据按顺序送入第二FFT处理单元；

（3）第二FFT处理单元开始对每列数据进行FFT变换，其结果进入预处理数据控制单元；

（4）预处理数据控制单元把第二FFT处理单元输出的数据写入FIFO存储器；

（5）当探测到FIFO存储器有数据时，PCIE接口控制器读取数据并通过PCIE总线上传到高性能工业计算机；

（6）对同步脉冲信号产生的次数进行计数；

（7）当同步脉冲信号产生的次数达到系统设定的阈值时，此时，第一DDR存储器已经存储了一个二维数组；由于FPGA具有高效的并行处理能力和高效流水线技术，此时第二DDR存储器中存储的二维数组已经全部被读取并完成FFT变换、其结果已被上传到高性能工业计算机；此时，对同步脉冲信号产生的次数清零；转入第42步；

第44步：重复上述第42步和第43步，直到系统停止数据采集。