基于FPGA和ARM的分布式光纤振动传感系统信号处理模块的研制

摘要

分布式光纤振动传感技术通过光纤内光信号特性的变化来传感检测外界被测信号，这种新型的传感器克服了传统点式传感器的不足，具有体积小、抗干扰抗辐射、耐腐蚀等优点。光纤振动传感技术运用在安防领域，能够远程、连续、实时的对较大范围内的目标做入侵监测，可广泛应用于一些基础设施以及部分拥有特殊要求的安防系统中。
　　分布式光纤振动传感监控系统是基于分布式光纤振动传感技术的一类新型周界安防监测系统。本文研制了分布式光纤振动传感监控系统中的信号采集和处理模块，实现传感信号的采集、处理、振动识别与预警、人机交互等功能。
　　根据分布式光纤振动传感信号的特点，采用了FPGA(EP4CE55)和ARM(S3C2440)协同采集处理的架构，充分利用FPGA的实时性和并行性完成对光路系统的控制、传感信号的采集、预处理和数据传输，同时通过移植在ARM上的linux操作系统完成对传感信号的处理识别和人机交互等监控平台软件设计。本文的主要工作如下:
　　1.完成信号采集与处理系统的硬件设计与制作。选用AD9233完成对脉冲波信号的采集，选用TLV2545完成对连续波信号的采集;采用FPGA信号采集底板+ARM核心板的硬件系统结构，完成了包括电源系统、信号采集、FPGA/ARM及其外围电路等部分的原理图设计和PCB板的制作与调试。
　　2.完成了FPGA的逻辑设计。通过FPGA完成对光路系统的触发、控制模数转换器采集两路（脉冲波+连续波）传感信号、对采集到的数据进行预处理与缓存等功能，实现了FPGA与ARM通信的接口。通过在FPGA内部实现相应的配置寄存器组和FIFO缓存，将其虚拟化为ARM外部存储总线上的设备，ARM能够通过总线读写方式高效的完成对采集参数的配置、缓存数据的读取等工作。
　　3.完成Linux驱动程序的设计。针对系统的应用需求，开发了针对FPGA前端采集模块的字符型驱动程序，实现了ARM对FPGA控制信号的发送、传感数据的读取和缓存以及中断的申请和处理，并提供简洁的调用接口给应用程序。协助完成了基于Qt的应用程序界面的开发，并移植Linux-2.6.32内核和YAFFS文件系统到ARM上。
　　通过联调测试，本系统工作稳定，两路传感信号的采集和预处理结果良好，FPGA与ARM的软件工作正常，能够满足系统的需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及其意义

1．2 分布式光纤传感的研究现状与在安防领域的应用

1．3 分布式光纤振动传感监控系统的结构

1．3．1 系统框架

1．3．2 入侵扰动定位的原理

1．3．3 系统的主要技术指标

1．4 信号采集处理方案的对比

1．5 本课题主要研究内容及章节安排

第二章 信号采集处理系统硬件设计

2．1 硬件方案论证

2．2 核心芯片选型

2．2．1 ARM处理器：三星ARM920T处理器S3C2440

2．2．2 高速ADC：ADIAD9233，低速ADC：TI TLV2545

2．2．3 FPGA：Altera Cyclone Ⅲ EP3CE55

2．3 电源模块设计

2．4 信号调理模块设计

2．4．1 脉冲波的信号调理

2．4．2 连续波的信号调理

2．5 ADC及其外围电路设计

2．5．1 AD9233时钟及外围电路

2．5．2 TLV2545外围电路

2．6 ARM处理器及其外围电路设计

2．6．1 核心板组成及接口

2．6．2 以太网控制器及其接口电路

2．6．3 LCD与触摸屏接口

2．7 FPGA及其外围电路设计

2．7．1 时钟

2．7．2 配置

2．7．3 与ARM通信方式的选择

2．8 PCB设计与调试

2．8．1 PCB布局布线

2．8．2 硬件的焊接与调试

2．9 本章小结

第三章 FPGA逻辑设计与实现

3．1 FPGA设计流程

3．2 FPGA总体架构与规划

3．3 数据采集控制模块

3．3．1 脉冲波信号采集控制

3．3．2 连续波信号采集控制

3．4 参数配置模块

3．5 触发控制及数据缓存模块

3．5．1 触发控制

3．5．2 数据缓存及控制

3．5．3 数据初步处理

3．5．4 模块框图与流程

3．6 FPGA整体框图及实现

3．7 本章小结

第四章 ARM平台驱动和软件设计

4．1 嵌入式Linux的特点

4．2 ARM-Linux软件总体架构

4．3 FPGA设备驱动程序的开发

4．3．1 设备驱动简介

4．3．2 驱动程序总体设计

4．3．3 设备的注册与卸载

4．3．4 I／O内存地址映射

4．3．5 FPGA控制命令的发送

4．3．6 FPGA数据的读取

4．3．7 中断的申请和处理

4．4 用户层应用程序的开发

4．5 移植与适配

4．6 本章小结

第五章 系统测试与实验

5．1 采集系统测试

5．1．1 脉冲波信号采集测试

5．1．2 连续波信号采集测试

5．2 演示平台模拟测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

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