完美升级版基于DSP光纤周界报警系统的可研报告书最新.docx
《完美升级版基于DSP光纤周界报警系统的可研报告书最新.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完美升级版基于DSP光纤周界报警系统的可研报告书最新.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
完美升级版基于DSP光纤周界报警系统的可研报告书最新
基于DSP的光纤周界报警系统
的研究报告
摘要2
1.作品设计、发明的目的和基本思路5
1.1、作品设计、发明的背景5
1.2、作品设计、发明的目的5
2.作品结构方案6
2.1、光纤传感器6
2.1.1、激光发射器6
2.1.2、光电转换器7
2.1.3、光纤耦合器8
2.2、信号调理电路11
2.3、DSP信号处理11
2.3.1、DSP系统11
2.3.2、DSP主程序设计15
2.3.3、数字滤波程序设计15
2.3.4、事件判断程序设计18
2.4.监控系统20
2.4.1、LCD显示系统20
2.4.2、声光报警系统21
3.系统创新点和优势22
3.1、创新点22
3.2、优势23
4.市场前景分析23
摘要
随着社会的进步和发展，人们对自身周围的环境越来越在意，都希望自己居住在一个拥有安全的环境的小区内，而现在各个居住小区的安全情况堪忧，针对这些存在的安全隐患，本文设计了一种用于小区监控的基于DSP的光纤周界报警系统。
本文根据现在小区的安全现状，构建了小区监控系统，并针对以下方面进行研究：
1．介绍了目前世界上防盗监控设备所采用的信号获取方式和手段，分析了各种防盗监控设备的原理及其优缺点，根据小区的特点选择光纤的马赫一增特（Mach—Zehnder）干涉原理作为小区周围环境信号的获取方法，该方法具有抗干扰，适应性强，可靠性好，实现简单等优点。
2．设计了一套小区监控分布式光纤测试系统，主要包括光源的驱动和保护电路，光电探测器电路和信号调理电路。
3．设计了一套基于DSP技术的小区远程监控系统，使用DSP技术对光纤传感器采集的振动信号进行模数转换，数字滤波，分析处理，并将对小区周围情况的判断结果通过串行电路发送到小区监控中心。
4．采用虚拟仪器技术设计了一套监控中心的软件系统，完成了监控中心对小区的情况分析、显示和存储报警信息等功能。
关键词：
光纤传感器、DSP、数字电路滤波器、小区安防
ABSTRACT
Withsocialprogressanddevelopment,peopleontheirownthesurroundingenvironmentmoreandmorecare,asafeenvironmentwithinthecommunity,butnowallresidentialsecuritysituationisworrying,inviewofthesesecurityproblems,thispaperintroducesadesignforresidentialsurveillancebasedonDSPopticalfiberperimeteralarmsystem.Accordingtothenowresidentialsecuritysituation,buildareamonitoringsystem,andforthefollowingaspectsofresearch:
Intheworldwereintroducedanti-theftmonitoringequipmentusedbythesignalacquisitionmodeandmeans,analysisofavarietyofanti-theftmonitoringequipmentprincipleanditsadvantagesanddisadvantages,accordingtocellcharacteristicsintheselectionofopticalfiberMaheraddspecial（Mach-Zehnder）interferenceprincipleastheareasurroundingthesignalacquisitionmethod,thismethod.
Dsignaresidentialmonitoringdistributedopticalfibertestsystem,mainlyincludes:
alightsourcedriveandprotectioncircuit,photoelectricdetectorcircuitandthesignalconditioningcircuit.
DesignasetbasedonDSPtechnologyofremotemonitoringsystemforoilwell,usingtheDSPtechnologyoffiberopticsensorcollectsvibrationsignaloftheanalogtodigitalconversion,digitalfiltering,analysisandprocessing,andtheareaaroundthejudgingresultthroughserialcircuitaresenttothedistrictmonitoringcenter.
Byusingthevirtualinstrumenttechnologytodesignasetofmonitoringcentersoftwaresystem,completedthemonitoringcenterontheestatesituationanalysis,displayandstoragealarminformationandotherfunctions.
Keywords:
opticalfibersensor,DSP,digitalcircuitfilter,communitysecurity
1.作品设计、发明的目的和基本思路
1.1、作品设计、发明的背景
我国一个人口大国，有十三亿多人口，伴随着现代化的步伐，人民的生活水平不断提高，人们对住房的要求也不断提高，既要求舒适温馨也要安全放心。
但我国各地的人口流动量大，安防状况令人堪忧，有一些不法份子利用可乘之机对小区里的居民住户进行行盗和破坏，给居民造成人身和财产损失。
目前国内的安防设备价格高昂，让人生畏，基于此我们研制了利用光纤作为信号接受与传送的DSP光纤周界报警系统。
在价格与实用性等各方面满足人们的需求。
1.2、作品设计、发明的目的
居民小区监控系统要求测量精准，运算速度快，数据运算量比较大，传统的模拟信号的处理手段难以满足要求，随着电子技术和数字技术的发展，也带来了DSP的快速发展，运用DSP技术作为信号的处理手段，有着运算速度快，功耗低等特点，居民小区范围大小不一，周边环境复杂，人流量和周边车辆流动大，需要通过上位机对其进行监控。
易于构造一个覆盖整个居民小区的监控网，实现整个小区的远程实时监控、集中管理等功能。
系统的总体框图如图1.2所示：
图1.2系统的总体框图
本系统是基于马赫—增特光纤干涉仪原理的周界远程监控分布式光纤检测技术对周界周围环境情况进行监测，该技术利用光纤作为传感器采集周界附近的振动信号，通过对振动信号的处理和分析，可以有效地检测出周界周围是否有异常情况发生，并实现周界周围的实时在线监测。
2.作品结构方案
2.1、光纤传感器
2.1.1、激光发射器
激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。
“Laser”是lightamplificationbystimulatedemissionofradiation（受激辐射光放大）的简称。
这一名称简要的描述了激光器的工作原理。
虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。
激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。
一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。
而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。
一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。
这就提高了粒子数反转的程度。
粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。
激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。
受激电子所含能量比低层级电子的能量高。
就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量。
如下图所示，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。
释放的能量转化为光子（光能）的形式。
发射出的光子具有特定的波长。
图2.1.1激光器的构成和工作原理
激光器的工作类型
激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体等几种类型。
半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单。
半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，可以在恶劣条件下稳定工作，因此选择半导体激光器作为激光光源。
2.1.2、光电转换器
传感器技术中很重要的一类称为光传感器。
光传感器通常是指紫外到红外波长范围的传感器，其类型可分为量子探测器和热探测器两类。
本实验将介绍常用的量子探测器或称光子探测器，它是利用材料的光电效应制作成的探测器，故也称为光电转换器。
其主要参数有响应度（灵敏度）、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。
光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。
自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。
常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。
光电效应
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。
当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。
有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象称为内光电效应。
光电导效应
某些半导体材料在光的照射下，内部电子吸收光子后，挣脱原子的束缚而形成自由电子，使其导电性能增加，电阻率下降，这种半导体器件称为光敏电阻，这种现象称为光电导效应。
当光停止辐照后，自由电子又被失去电子的原子所俘获，其电阻率恢复原值。
利用光敏电阻的这种特性制成的光控开关在我们日常生活中随处可见。
二次电子发射效应
当电子轰击某物体时，如果该电子的动能足够大，被轰击物体将会有新的电子发射出来，该现象称为二次电子发射效应。
轰击物体的电子称为一次电子，物体吸收一次电子后激励体内的电子到高能态，这些高能电子的一部分向物体表面运动，到达表面时仍具有足够的能量克服表面势垒而发射出来的电子称为二次电子。
常用的光电转换器件主要有光敏电阻、光电倍增管、光电二极管等。
光电二极管
光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应会、使用方便等特点，广泛用于激光探测器。
外加反偏电压于结内电场方向一致，当pn结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子－空穴对）。
结区内的电子－空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向n区，空穴被拉向p区而形成光电流。
同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。
当入设光强变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。
这种变化在入射光强很大的动态范围内仍能保持线性关系。
伏安特性
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。
其伏安特性是
式中为流过二极管的总电流，为反向饱和电流，为电子电荷，为玻尔兹
曼常量，为工作温度，为加在二极管两端的电压。
对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。
对于硅光二极管来说，其伏安特性可表示为
式中是流过硅光电二极管的总电流，是反向光电流，是电流灵敏度，是入射光功率，因硅光二极管是反向偏压工作，故上式可简化为
硅光电二极管的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。
2.1.3、光纤耦合器
光波在光纤传输过程中，当光纤受到外界作用时，将对光波的传输特性产生影响。
围绕周界敷设一条光缆，利用光缆中的三条单膜光纤基于马赫．增特光纤干涉仪原理构成分布式微振动测试传感器，用于测试周界附近的振动信号。
光缆中的两条光纤构成光纤干涉仪的两条测试光纤，而第三条光纤用于信号传输。
其测试系统组成如图所示。
图2.1.3测试系统组成图
光源发出的连续光波从传感器的一端分为光强为l：
l的两束光波在两条
测试光纤中同时传播，在光纤传感器另一端汇合形成干涉信号，由第三条光纤将干涉信号传输到光电检测器，将光信号转换成电信号，通过放大和滤波电路对信号进行处理后，将信号传输到DSP中进行下一步的分析和处理。
在图中所示的周界远程监控分布式光纤传感器中，两条测试光纤中传播的光波为相干光波。
干涉型分布式微振动测试传感器中的两条传感光纤受到周界附近振动信号的作用时会产生应力应变，在两条传感光纤中传播的相干波束会分别产生相位变化，但两条光纤受到外界同一事件作用时所产生的应变并不完全相同，因而在两条光纤中传播的相干波束所产生的相位变化也不完全相同，所以会引起两光纤汇合处所形成的干涉光的变化。
在小区远程监控分布式光纤检测系统中，分布式光纤传感器探测的信号源为小区附近的振动信号，传播的振动波振幅方程为
式中，为振动波的最大振幅；为振动波角频率，成为振动波的传播常数；为振动波的初始波程。
周界附近发生事件产生的振动波作用到光缆中的两条单模光纤所组成的传感器上，设两条测试光纤周界附近同一振动信号影响所产生的光波相位调制量分别为，沿两条测试光纤传播的两束相干光波均是简谐振动，光纤中传播的受到调制的光波波动方程可分别表示为：
式中：
为两束相干光波的场强；为光波振幅；为光波角频率；为两束光波的初始相位。
叠加后的光波振幅为：
设两束相干光波的强度分别为。
则
两束相干光波干涉后的光强为：
设而为输入到两条测试光纤中的总光强；两相干光波的混合效率。
则有
如果仅考虑交流光强，上式可简化为：
通过光电检测器将光强信号转化为电流信号，光电流的交流量为：
式中为光电二极管的响应度。
在上式中△砸常为一常数，称为直流偏置或正交偏置。
在此偏置处，光电流和检测相位变化斜率最大，在无检测信号的情况下两个传感光纤的光保持正交，检测灵敏度最高。
测试信号是两束相干光波相位调制差的函数，由于两条测试光纤在光缆中排列位置不同，当测试光缆受到振动作用时，产生的应力应变也不相同，因而在两条传感光纤中传播的两束相干光波产生的相位变化也不完全相同，是一个变量，通过实时的检测干涉光信号的变化，则可以检测出小区周围产生的振动信号，从而实现了小区的实时监测。
光纤传感器的传感光缆，主要由沿周界周围敷设的测试光缆中的两条传感光纤和一条信号传输光纤组成，传感光纤和传输光纤均为单模光纤。
其中两条单模测试光纤构成马赫-增特光纤干涉仪，用于检测周界附近的振动信号。
信号传输光纤主要用于传输光波和测试的光波相位调制信号。
分布式光纤传感系统主要由光源、光隔离器、光源驱动和保护电路、光电探测器和信号调理电路组成。
光源主要用于向分布式光纤微振动传感器中发射光波。
光源采用一个半导体激光二极管，光源产生的光波为连续光波，其频率为光源本身的固有频率。
光隔离器主要是用来隔离光纤中的反射光向光源中传输。
光源驱动电路中，通过一个光电二极管监视半导体激光器的功率的输出并产生控制信号，同时采用功率自动控制电路调整激光器的驱动电流，保持光源输出的功率恒定。
光源保护电路主要由光源慢启动保护、光源过流保护和反向冲击电流保护电路组成，以防止光源的损坏，使光源长期稳定、可靠地工作。
‘分布式光纤微振动检测系统的光电检测电路采用高灵敏度的光电二极管，检测来自传感器的信号。
通过光电检测器可以将分布式光纤传感器中的光信号转化为电信号，并以电压的形式输出。
为了能使数字信号处理器更好地分析光纤传感器中采集的信号，设计了一个信号调理电路，包括抗混叠滤波电路和一个主放大器，将光电探测电路产生的电压值滤波后进一步放大，以获得适合数字信号处理器分析的电压值。
2.2、信号调理电路
光纤传感器的光电探测器完成测试信号的光电转换后，获得了周界周围的环境情况的电信号，但是此时的测试信号中仍含有一部分噪声电压，需要采用滤波电路对测试信号进行处理，降低噪声对有用信号的影响，使数字信号处理器能够对分布式光纤传感器采集的电压进行更好地分析。
因为光电探测电路要考虑到很多的限制因素，特别是增益和噪声间的互相制约，所以在光电探测电路的输出电压值并不是很高，需要通过后续的主放大器的进一步放大，才能使得DSP系统更好地分析处理得到的电压信号。
根据奈奎斯特理论，采样频率的高低是由被采样的信号本身的最高频率决定的。
奈奎斯特理论指出，采样频率应高于模拟信号最高频率的两倍，才能把以数字表达的信号还原成原来的信号。
在进入DSP进行数字信号处理之前，首先要经过抗混叠滤波，消除混叠失真小区远程监控系统中，DSP的AD转换设置的采样率为50K，系统中设计一个低通滤波电路，其截止频率为25K。
由于光纤埋设于土壤中，很少会有25K以上的高频信号传播到光纤中，系统设计时采用了二阶低通滤波电路，它的衰减度为40dB十倍频，可以满足设计要求。
小区远程监控系统设计了一个信号调理器，其中包括一个电压跟随器和一个截止频率为25KHz的二阶低通滤波器。
电压跟随器可以提高输入阻抗，并且降低输出阻抗，有利于与后一级信号耦合。
电压跟随和低通滤波电路。
2.3、DSP信号处理
2.3.1、DSP系统
信号的实时变换采集和分析处理是小区远程报警系统的主要任务之一，由于小区远程监控系统的信息采集量大，需要分析处理的数据量大。
随着数字计算机的飞速发展，数字信号处理技术也得到了不断的发展。
数字信号处理技术通常将模拟信号转换成数字信号，通过高效的数字信号处理器或计算机对测试信号进行处理，将有用的测试信号从噪声中提取出来，消除噪声对信号的影响。
相对于传统的模拟信号处理手段，数字信号处理具有精度高，灵活性强，抗干扰，可靠性高等特点。
在实际的信号测试应用中，数字信号处理技术通常采用硬件和软件结合的方式对信号进行处理。
一般先通过模拟滤波电路对测试信号行抗混叠滤波，再通过AD转换将模拟信号转换为数字信号，输入到数字信号处理器或计算机中进行进一步的信号处理。
为了能够正确地选择数字信号处理的手段和方法，设计小区远程监控系统之前，首先进行了测试实验。
测试实验内容为：
采用光功率为0．2mW的光源，在实验室附近埋设一段长度约200米的光纤，埋设深度约为10厘米。
人在光纤上方活动，模拟有人进行破坏小区生产的事件发生，利用美国国家仪器公司（NI）的数据采集卡收集分布式光纤传感器采集的电压信号，并对它进行了数字滤波处理。
⑴.数字信号处理器TMS320F2812芯片
TMS320F2812芯片是一款32位的定点DSP芯片，采用高性能的静态CMOS技术，主频达到150MHz（时钟周期6．67ns）．FLASH编程电压为3．3V，内核电压为1．8V，拥有16x16位和32x32位的乘法累加操作，哈佛总线结构，4MB的程序数据寻址空间。
TMS320F2812芯片的片内有128Kxl6位的FLASH存储器，1Kxl6的OTPROM，2个4K字节的SARAM（L0和LI），1个8K字节SARAM（H0），2个1K字的SARAM（M0和M1），内置一个12位的带流水线的模数转换器（ADC），该模数转换器有16个转换通道，可配置2个独立的8通道模块，最高采样频率为12．5MHz。
对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，DSP把转换结果存储到结果寄存器（ADCl也SULT）中。
AD转换器有两个采样保持电路，流水线最快转换周期为60ns，单通道最快转换周期为200ns．并且可以使用两个时间管理器顺序触发8对模数转换。
TMS320F2812芯片有两个事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器包括两个16位通用定时器，6个脉宽调带0（PWM）通道，3个输入捕捉和3个输出比较单元，通过锁相环（PLL）控制DSP内核工作频率，经过锁相环倍频或分频后提供给DSP内核。
⑵.电源电路
电源直接决定着DSP的正常供电，在TMS320F2812芯片中的电源引脚（CPU，IO，PLL，FLASH以及模拟电路电源引脚）都要连接到各自的供电电源上，否则系统无法正常工作。
设计时要将模拟地和数字地分开。
该DSP芯片的IO端口为3．3V，内核为1．8V。
在设计3．3V电源时，系统采用TPS75733电压调节器调节。
图2.3.1为DSP3．3V的电源电路的设计。
1．8V的电压设计原理与3．3V相近，所采用的电压调节器芯片为TPS76801Q。
图2.3.1.2DSP3．3V的电源电路的设计
⑶.复位电路
复位电路的正确与否直接影响DSP系统上电后能否正常初始化。
在电源刚上电时，TMS320F2812芯片应处于复位状态，其复位管脚为低，使芯片复位。
本系统采用专门应用于DSP和微处理系统的控制芯片TPS3833．23作为复位芯片，其具有上电复位，手动复位等功能，上电固定复位周期在200ms。
图为DSP复位电路的设计.
图2.3.1.3DSP复位电路的设计
⑷.时钟电路
1MS320F2812的时钟模块提供两种时钟方式，一种是晶体模式，它是利用ⅣS320F2812芯片内提供的晶振电路，在芯片的X1XCLKIN和X2引脚之问连接一个晶振来获得时钟信号，另外一种采用外部时钟模式，将输入的时钟信号直接接到X1XCLKIN引脚上。
本系统采用晶体模式提供时钟，使用的晶振为30MHz。
图为晶振电路图.
图2.3.1.4晶振电路图
⑸.JTAG仿真接口电路
DSP的软硬件调试主要是通过仿真器进行。
仿真器通过仿真接口实现与DSP之间的数据交互，TMS320F2812的仿真接口采用14线的JTAG标准IEEEll49．1。
这种仿真器由芯片上提供的几个仿真引脚实现仿真功能，可以用来解决高速DSP芯片的仿真。
图为TMS320F2812芯片的JTAG仿真引脚和仿真接口图。
图2.3.1.5TMS320F2812芯片的JTAG仿真引脚和仿真接口图
⑹.AD转换电路
分布式光纤传感器的信号经过调理和放大后，进入DSP的AD模数转换模块中。
为了获得较高的AD转换精度，必须采用正确的线路板布局，在线路板设计中，DSP芯片上连接分布式光纤传感器输出信号的AD采集引脚引出的引线要尽量远离数字信号线，以便最大程度地消除数字电路中开关噪声与ADC输入之间的耦合。
ADCLO引脚是DSP中的低电平参考电压引脚，在实际应用中，将ADCLO引脚接地。
在该引脚上叠加的额外的阻抗都会进一步增加AD采集的增益和偏移误差，为了给ADCLO提供一条低阻抗的路径，通常将TMS320F2812芯片的ADCLO引脚直接接地。
⑺.串行通信接口电路
由于小区分布广泛，周边环境复杂，需要通过远程发送数据的手段对其周围实际情况进行监控。
小区远程监控系统采用光纤进行远程通信。
将DSP串口与上位机相连接，通过RS232串行通信的方式，发送指令给上位机。
TMS320F2812的串行通信接口（SCI）是采用双线
升级会员 