LMX2594的分布式光纤传感系统测试平台的设计

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针对布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式传感系统中背向散射信号的强
度较为微弱，常常会被噪声淹没而无法被探测到的特点，进行了分布式光纤传感
测试平台的设计，此平台的高速ADC的输入信号为BOTDA系统输出的传感信
号，脉冲驱动器的输出信号，经过驱动器打入图3-2的光路中，系统框图如图3-
3所示。系统主要由FPGA和MSP430及外围模块电路组成:其中FPGA的外围
电路主要由扫频模块电路、高速 ADC电路、SDRAM存储电路和脉冲发生电路
组成;MSP430外围电路主要是与FPGA和上位机进行通信的串口通信电路组成;
FPGA还负责产生驱动脉冲的发生;另外，FPGA还要进行外部扫频模块电路的
控制，控制扫频信号的产生。

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(1)上位机发送控制信号，FPGA接收到控制信号后，开始产生ns级的驱动
脉冲，脉冲宽度可由系统需要而改变，然后将脉冲注入到系统的声光驱动器中，
同时启功扫频模块以一定的起始频点开始频率扫描;
(2)在此频点下，检测FPGA自身产生的脉冲信号的上升沿作为触发信号，
控制模数转换器将传感信号变为数字量，将采集到的数据经过滤波去噪处理后存
储到外部SDR.A.M中;
(3)根据上位机设定的平均去噪次数，FPGA将进行多次数据采集，利用布
里渊散射光谱特征提取算法进行计算估计出布里渊频移(BFS)，然后推算出对
应的温度或者应变的数值;
( 5 ) MSP430以串口通信的方式和FPGA进行通信，将计算得到的数据以串
口通信的传输方式发送到上位机进行显示。

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为了确定当前的布里渊频移，传统的扫频方法为:先调节频率扫描模块的输
出频率，将连续光和脉冲光两束光之间的频率差值与布里渊频移控制在几十兆赫
兹的范围。设置扫频模块的步进间隔，使其从起始频率开始以一定的步长步进输
出频率。其中，结束频率和起始频率的差值设置为布里渊增益的带宽，这样就包
含了光纤内可产生的所有布里渊频移的值。通过扫频获得光强数据，可以计算出
整条光纤上的布里渊增益。利用布里渊增益可构造出整条光纤的布里渊增益谱，
应用布里渊散射光谱特征的提取算法对其进行处理，可计算出整条光纤的布里渊
频移，以此可计算出温度和应变的数值。为配合优化算法的实现，本系统采取了
一种新的频率扫描的方法，要求扫频模块不再是固定的以一定的步长输出信号，
而是根据算法要求输出指定的频率值。这就要求扫频芯片是可以编程控制其输出
的，且对它最小可达到的步进频率有较高的要求。针对这些系统需求，选用TI公
司的宽带RF频率合成芯片LMx2594作为扫频模块的频率发生芯片。
LMX2594是一款高性能的宽带合成器，采用3.3 V单电源供电，可在不使用
内部加倍器的情况下生成}OMHz至1}GHz范围内的任何频率，载波频率为
15GHz时可提供7dB二的输出功率，并具有低压差线性稳压器(LDO )，不需要外
置低噪声的LDO。品质因数为一236dBc/Hz的高性能PLL和高相位检测器频率
可实现非常低的带内噪声和集成抖动。内置的犯位N分频器可满足频率步进为
1Hz的扫频输出，高速N分频器没有预分频器，从而显著减少了杂散的振幅和数
量。如图3-7为LMX2594的简化电路原理框图。

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扫频模块的实现选用的是芯片LMX2594，它是一款可编程的射频宽带频率
合成器。LMX2594采用的是串行外围(Serial Peripheral Interface: SPI)接口协
议进行控制的。SPI是一种接口总线，采用主从的工作模式，需要四根线来实现
数据的通信，通常用于在微控制器和小型外设，如移位寄存器，AD转换器，传
感器和SD卡之间发送数据。它的一个独特优势是可以不间断地传输数据，可以
连续的发送或接收任意数量的比特数据。它使用单独的时钟信号和数据线，以及
通过选择从线的方式来选择您想要与之通信的设备。SPI是一个同步的数据总线，
这意味着它使用单独的数据线和时钟线，使双方保持完美同步。它的时钟是一个
振荡信号，可以确切地告诉接收器何时采样数据线上的数据位。可能在时钟信号
的上升沿(电平由低到高)或下降沿(电平由高到低)进行数据的采集。当接收
器检测到该边沿时，它将立即查看数据线上的数据以读取下一位。SPI的优点有:
没有启动和停止位，因此数据可以连续流式传输而不会中断;没有复杂的从机寻
址系统，如比I2C方式有几乎快两倍的数据传输速率;单独的MISS和MOSI线，
因此可以同时发送和接收数据。

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LMX2594的分布式光纤传感系统测试平台的设计

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