光纤温度传感与测量技术中PCI总线的高速数据采集卡的设计与实现.docVIP

光纤温度传感与测量技术中PCI总线的高速数据采集卡的设计与实现 　　【摘要】随着各行各业逐渐实现信息化，其中PCI总线技术已经在很多行业中有非常广泛的运用。针对分布式光纤温度检测系统的数据采集，系统设计要求具有精度高、速度快、采集信号微弱的特点，根据成本要求，采用PLX PCI9054、Altera Cyclone FPGA、LINEAR LTC2241等硬件完成了系统的搭建工作，介绍了系统的工作原理和开发思路，描述了系统软件的开发和功能，本文针对这些问题进行了详细的分析。 　　【关键词】PCI总线；高速数据；采集；设计 　　一、前言 　　光纤温度传感与测量技术是测控领域新的发展方向之一。由于光纤具有重量轻、体积小、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围宽、高灵敏度等特点，对传统的测温传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，适配特总行业需求完成前者很难完成甚至不能完成的任务。分布式光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等重要特点，因此，光纤温度传感技术受到各国科技人员的高度重视并进行了深入研究。它可用于冶金、化工、电力、建材等领域，解决电磁干扰大、环境恶劣场合的温度测量与控制问题。 　　近年来，随着航空、航天、测控等技术的迅速发展，分布式光纤温度检测系统逐渐普及，渗透多领域，这就对数据采集系统的性能要求更加苛刻，要求能够采样较微弱的光电变化信号，采样的精度和速度要求更高，因此研制开发了一套高性能数据采集系统。该系统较以往开发的数据采集系统，在设计方案、操作界面等方面均有了较大改进，如该系统采用PCI总线，传输速率得以大大提高，系统软件运行于windows操作系统下，较以往该领域的DOS系统，在操作上更方便，界面更友好。采用先进的微弱信号采样算法提取有效信息，本文介绍了该数据采集系统的设计与研制方案。 　　二、系统的总体设计方案 　　系统具体工作要求：配置两通道可以供用户采集转换使用，可以同时采样分布式光纤的斯托克斯光及反斯托克斯光信号；另外为了达到相关指标的要求，A/D分辨率应达到12位、采样速率210Msps以上，通道带宽150M。从要求可以看出本系统具有多路数、精度高、速度快的突出特点。针对这些特点，选用PLX 的PCI桥接芯片PCI9054；前段采样选用凌特的ADC芯片LTC2241-12，次芯片为12bit精度，210Msps满足了模拟信号的高精度、高速率要求。作为该板卡工作的控制中心采用Altera公司的Cyclone系列EP3C40作为主控芯片FPGA，选择使用FPGA，因为FPGA具有精度高、速度快、稳定性好的特点。整个系统中EP3C40控制LTC2241采集输入通道的模拟信号，PCI9054负责与系统通信，通过其局域总线传递系统控制信息，并将采集数据传输给pci总线。 　　三、系统的硬件设计 　　系统硬件的设计主要是围绕模拟信号的输入调理，模拟信号的采集FPGA的LTC2241控制时序编程，利用硬件描述语言开发PCI9054局域总线的通信驱动，PCI9054驱动参数的适配。 　　图 1 　　1、模拟信号的输入调理 　　如前所述，本系统设计需要2个通道模拟输入，如下图2所示，模拟输入的前级采用了THS3091，此运算放大器为一个高电压，电流反馈型运算放大器。设计时考虑匹配APD输出阻抗，同时驱动下级。第二级放大器采用LTC6406，该芯片为轨至轨型差分放大器，拥有3GHz的带宽足以满足高增益下带宽需求。 　　图 2 　　2、采样电路的实现 　　采样电路部分主要完成模拟数据的AD转换，LTC2241芯片完成12位精度的AD转换，由光的时域反射理论（见公式 1）可知1米采样间隔其需要理论采样间隙t大概150MHz，LTC2241采样率为210Msps，其满足3米测量精度要求。LTC2241原理图如下图3，提供独立参考电压输入端REFH（L），数据接口可配为CMOS接口或LVDS接口，本系统采用CMOS接口方式其执行时序如下图4，Fpga在内部时钟的控制下执行图4控制时序不间断读取LTC2241转换值，这样就两个通道的高速采样。 　　公式 1 　　图 3 　　图 4 　　3、FPGA程序设计 　　FPGA程序设计的任务包括： 　　（1）执行图 4 时序控制LTC2241实现模拟信号采样。 　　（2）与PCI桥接芯片局域总线通信。 　　3、PCI接口设计 　　PCI接口采用PLX 的PCI9054桥接芯片，其作为一种接口芯片，在PCI总线和LOCAL总线之间传递信息。该设计系统就是利用PCI9054的这一特性，通过接口控制电路 ，为外围设备和PC机间搭建一座硬件桥，完成数据的顺利传输。