一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统及采集方法与流程

1.本发明涉及属于绝对重力快速测量研究技术领域，尤其涉及一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统及采集方法。


背景技术：

2.重力加速度值是一个变化的参数，在地球表面重力加速度随着海拔高度、经纬度不同，受潮汐、极移、气压等因素不断变化。重力加速度对计量学、航空航天、地球物理学、辅助导航、资源勘探等领域都有着重要的意义。
3.光学绝对重力仪是一种通过激光干涉原理，采用经典的自由落体方式，以激光波长作为测量长度的基准，在真空腔顶部装有一个角锥棱镜的落体，使其在腔内自由下落，由激光器发出光束到达分光境后，一路最为参考光穿过分光镜，另一路作为测量光，垂直向上形成干涉。干涉信号由光电探测器将光信号转换为电信号。通过数据采集系统，结合提供高精度时间频率的铷原子钟信号，得到落体自由下落的干涉条纹信号，采用双样本过零点采样法将干涉信号幅值为零的时间-位移序列对进行二次拟合，即为被测点的重力加速度值。
4.随着科技进步、科学实验的客观需求，各重力应用领域已经不在满足于实验室静态基座状态下绝对重力的静态测量，而对野外流动化重力观测，深海远洋绝对重力快速动态测量的需求与日俱增。相比于实验室静态基座状态下的绝对重力测量，野外流动以及深海远洋动态绝对重力测量的工况下，对数据采集系统提出了更高的要求和标准，这就要求采集系统不仅质量和体积足够小，利于携带，且信号的采集和处理速度快，同时克服野外复杂变化的不利环境因素，具备长期野外快速动态测量的需求，并能够解决传统静态测量绝对重力数据采集系统在快速测量条件下数据丢包、测控终端卡顿、体积质量大不易携带等难题。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统及采集方法，基于fpga微处理控制器，充分发挥并行处理计算的优势，提高系统整体运行速度和信号采集的完整性和精确性，达到信号高速采集，数据稳定传输的效果。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统，其特征在于，包括：
7.模拟信号调理单元，包括ths3091运算放大器，将激光干涉产生的光信号转换成电信号并进行滤波处理，去除线性漂移和抑制部分高频干扰噪声，并将原始小信号放大到模数转化器的量程范围之内；
8.模拟数字转换单元，包括ad9248模数转换芯片及其外围电路，将连续的模拟信号转换为离散数字信号；
9.外部时钟单元，输出正弦波信号，提供稳定的外部时钟和时间基准；
10.系统核心控制单元，包括xc7k160t系列fpga微控制处理器，支持usb3.0传输协议，内置fifo逻辑，对激光干涉条纹信号进行采集、存储和传输的处理与控制；
11.电源转换供电单元，维持采集系统正常工作；
12.数据传输单元，包括用于usb3.0与fifo之间起到桥接作用的ft601芯片，采用usb 3.0micro-b接口与测控终端连接通信，将微处理器计算处理完成的数据传输到测控终端显示；
13.测控终端处理显示单元，通过读取usb3.0采集设备信息，将数据存入本地文档，采用多线程协作的方式，分别处理有效和无效数据，在测控终端显示界面生成干涉条纹信号波形，将前端数据采集处理好的离散化的干涉条纹信息连续并呈现到显示器上。
14.一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
15.s1：设置缓存包个数、单个缓存包字节数，设置接收阈值；
16.s2：判断是否存在usb3.0采集设备接入测控终端，若存在，执行s3，若不存在，则弹出对话框提醒无设备接入；
17.s3：连接成功接入的usb3.0采集设备准备通讯，若连接成功，执行s4，若不成功，则弹出对话框提示重新连接并报出相关错误；
18.s4：开启接收线程，创建与s1中设置缓存包个数相同数量的字节数组，数组长度与s1中设置的单个缓存包字节数相同，并将所有字节数组存放于list《byte[]》数组中；
[0019]
s5：通过无限循环读取usb3.0采集设备的采集信息，并将采集信息按照list《byte[]》数组中字节数组的顺序依次接收；
[0020]
s6：循环遍历list《byte[]》数组，通过数组的indexof()方法检测s5中的所有预接收数据是否存在开始符，若某个字节数组存在，则执行s7，若不存在，则重复执行s5；
[0021]
s7：接收s6中检测到开始符的字节数组以及该字节数组之后的所有数组，并通过数组的indexof()方法检测当前接收数组是否存在结束符，若存在结束符，则执行s10，若不存在结束符，则重复执行s8，若接收数据量达到s1中设置的阈值且未检测到结束符，则执行s9；
[0022]
s8：将s7中接收完毕的字节数组清零，并将清零后的字节数组重新提交到s5中的list《byte[]》数组中进行数据的接收；
[0023]
s9：结束此次采集信息读取，将读取的所有数据存入本地文本文档中，(文档名称以当前时间命名，时间精确到秒)；
[0024]
s10：结束此次采集信息读取，将存入本地文本文档任务一个任务队列，采用多线程的方式，将此次采集数据开始符之前以及结束符之后的无效数据删除之后，存入本地文本文档(文档名称以当前时间命名，时间精确到秒)，之后将该任务移除任务队列；
[0025]
s11：将s10中处理完毕的数据生成信号图，并将存放接收数据的所有数组清零，然后开始执行s4直到手动结束采集。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
本发明充分利用嵌入式系统裁剪性好、稳点性强等特点，基于fpga微处理控制器，充分发挥并行处理计算的优势，提高系统整体运行速度和信号采集的完整性和精确性，达
到信号高速采集，数据稳定传输的效果。
[0028]
本发明能自动可靠的完成高速采集信号的存储显示工作，能保证在0.3秒内完成千万级别字节数量的接收，在3秒内完成信号数据的存储显示工作。具有数据检测功能，确保采集到数据均为正确的有效数据。阈值的设定可以防止因采集设备故障出现无限存储的状况，从而实现对采集设备工作状态的监测。
[0029]
本发明设计了友好、高效的测控终端软件，进一步增强系统整体的交互性、可读性与灵活性。系统以小型化，易便携的特点，结合信号采集处理速度快，精度好的优势，达到快速、动态的绝对重力测量目的。
附图说明
[0030]
图1为本发明高速采集系统的电路原理图。
[0031]
图2为本发明高速采集系统的工作流程图。
[0032]
图3为本发明高速采集系统数据采集耗时示意图。
[0033]
图4为本发明高速采集系统的测控终端显示界面图。
[0034]
图5为本发明高速采集系统的软件架构显示图。
具体实施方式
[0035]
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
[0036]
本发明提供一种光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统，包括模拟信号调理单元，其采用ths3091运算放大器，该放大器具有信噪比小，通频带宽，信号失真率低等特点，设计采用放大器级联并连接滤波器的方式，实现信号采集的前端调理功能。该模拟信号调理单元是把激光干涉产生的光信号，经由光电探测器转换得到的电信号进行滤波处理，去除线性漂移和抑制部分高频干扰噪声，并将原始小信号放大到模数转化器最佳的量程范围之内，避免反复穿越零点的出现，造成伪过零点现象。
[0037]
模拟数字转换单元，包括有ad9248模数转换芯片及其外围电路，所获干涉条纹信号经过取样、保持、量化和编码的过程，转换为控制器可处理的数字信号。该芯片拥有14位采样精度以及65mhz的最大采样频率，最大限度的保证系统采集的分辨率，降低信号出现失真的可能。模拟数字转换单元是利用a/d转换器将连续的模拟信号转换为核心控制器可处理的离散数字信号。
[0038]
系统核心控制单元，包括有xc7k160t系列fpga微控制处理器，支持最大传输速率500mb/s的usb3.0传输协议，内置fifo逻辑，用于片上数据缓冲。其拥有强大的时钟管理磁贴(cmt)和结合锁相环(pll)，实现高精度和低抖动。是基于fpga微控制器完成对激光干涉条纹信号进行采集、存储和传输整个流程的处理与控制。
[0039]
电源转换供电单元、是指系统维持各个功能模块持续不间断的正常工作。
[0040]
数据传输单元，包括用于usb3.0与fifo之间，起到桥接作用的ft601芯片，设计采用usb 3.0micro-b接口与测控终端连接，保证数据在传输过程中的的质量与速度。该数据传输单元利用通用串行总线技术将微处理器计算处理完成的数据传输到测控终端显示。
[0041]
测控终端处理显示单元，把前端数据采集处理好的离散化的干涉条纹信息通过高
级编程语言算法使信号连续并呈现到显示器上，达到人机交互的效果。具体包括使用c++语言编程设计，通过循环方式读取usb3.0采集设备的采集信息，接收数据量达设置阈值且检测到结束符时，结束对采集信息的读取，将数据存入文档任务队列。同时，采用多线程的方式，将删除采集数据开始符前，结束符后的无效数据。最后，在测控终端显示界面生成干涉条纹信号波形。
[0042]
外部时钟单元利用铷原子钟可以稳定输出10mhz的正弦波信号，为采集系统提供稳定的外部时钟和时间基准。
[0043]
本发明还提供应用上述高速采集系统的采集方法，包括以下步骤：
[0044]
s1：设置缓存包个数、单个缓存包字节数，设置接收阈值；
[0045]
s2：判断是否存在usb3.0采集设备接入测控终端，若存在，执行s3，若不存在，则弹出对话框提醒无设备接入；
[0046]
s3：连接成功接入的usb3.0采集设备准备通讯，若连接成功，执行s4，若不成功，则弹出对话框提示重新连接并报出相关错误；
[0047]
s4：开启接收线程，创建与s1中设置缓存包个数相同数量的字节数组，数组长度与s1中设置的单个缓存包字节数相同，并将所有字节数组存放于list《byte[]》数组中；
[0048]
s5：通过无限循环读取usb3.0采集设备的采集信息，并将采集信息按照list《byte[]》数组中字节数组的顺序依次接收；
[0049]
s6：循环遍历list《byte[]》数组，通过数组的indexof()方法检测s5中的所有预接收数据是否存在开始符，若某个字节数组存在，则执行s7，若不存在，则重复执行s5；
[0050]
s7：接收s6中检测到开始符的字节数组以及该字节数组之后的所有数组，并通过数组的indexof()方法检测当前接收数组是否存在结束符，若存在结束符，则执行s10，若不存在结束符，则重复执行s8，若接收数据量达到s1中设置的阈值且未检测到结束符，则执行s9；
[0051]
s8：将s7中接收完毕的字节数组清零，并将清零后的字节数组重新提交到s5中的list《byte[]》数组中进行数据的接收；
[0052]
s9：结束此次采集信息读取，将读取的所有数据存入本地文本文档中，(文档名称以当前时间命名，时间精确到秒)；
[0053]
s10：结束此次采集信息读取，将存入本地文本文档任务一个任务队列，采用多线程的方式，将此次采集数据开始符之前以及结束符之后的无效数据删除之后，存入本地文本文档(文档名称以当前时间命名，时间精确到秒)，之后将该任务移除任务队列；
[0054]
s11：将s10中处理完毕的数据生成信号图，并将存放接收数据的所有数组清零，然后开始执行s4直到手动结束采集。
[0055]
实施例
[0056]
以下结合附图对本发明进行详细说明：
[0057]
参照图1-5所示，光学绝对重力仪激光干涉条纹信号采集系统分为系统测控终端与前端数据采集。系统测控终端包括自主设计研发的激光干涉条纹信号采集控制、显示软件，其功能是将采集得到的数据分别进行接收和处理。前端数据采集包括基于fpga微处理器的主控制系统本体以及其他功能模块，主要负责信号前端处理、逻辑算法、控制传输等。
[0058]
通过上述技术方案，完成高速采集工作还需要外部干涉条纹信号、外部时钟信号
以及外部触发信号。干涉条纹信号由绝对重力仪激光干涉仪发出，使用一端bnc接口，另一端sma接口的同轴电缆将干涉条纹信号传输至高速采集系统前端调理电路。同时，利用铷原子钟发出10mhz的高精度正弦波信号，为高速采集系统提供精确的时间基准。最后，将控制拖车下落的电机输出的触发信号连接到高速采集系统触发i/o。
[0059]
通过上述技术方案，本发明逻辑算法流程，如图2所示。具体地为fpga通过adc采集模块接收到外部触发信号时，adc寄存一拍后，开始发送开始符adc同步采样开始，将采样的数据送到fifo中缓存，当fifo中的数据量达到1024个字节设置的最大阈值时，usb3.0读取fifo中缓存的数据，当usb3.0中传输的数据量达到设定的数据量，程序发送结束符，测控终端通过循环方式读取usb3.0采集设备的采集信息，接收数据量达设置阈值且检测到结束符时，结束对采集信息的读取，将数据存入文档任务队列。同时，采用多线程的方式，将删除采集数据开始符前，结束符后的无效数据。最后，在测控终端显示界面生成干涉条纹信号波形。系统等待第二次外部触发的到来，并循环上述采集流程。
[0060]
以实验室搭建的nim-3a型绝对重力仪为例，重力仪的落体棱镜在真空腔内自由下落0.2s，产生干涉信号的最大频率约为12mhz左右。通过传输速率高达350mb/s的usb3.0进行数据传输，采用异步fifo实现不同位宽接口的数据匹配，利用ddr3高速缓存，将adc模块采集到的数据缓存，通过对usb3.0接口电路、设备固件及接口器件中slave fifo模式与中控单元读写操作的设计，将数据传输到pc端。测试结果表明，采集系统能够在0.1s内完成千万字节数据的可靠传输，耗时示意图，如图3所示。
[0061]
测控终端具有二维、可视化实时数据显示、数据保存、数据查询、数据导出等功能，如图4所示，通过这些功能进行被测点的绝对重力值分析。
[0062]
发明软件架构，如图5所示，其中transform是数值转换的方法类，用于十六进制-十进制-二进制-字符串之间的转换；logger是日志类，用于存储运行日志；searchandopendevice是搜索并连接设备；taskqueue是一个任务队列类；taskdata是taskqueue所需的一个实体类；hsas是界面功能；showmsg用于跨线程调用ui修改；ftdireadorwriteasync用于实现与设备芯片的异步读写；tittinfunct是算法类；polyfit是多项式拟合函数；zerocross用于提取过零点；getdisplacement用于生成位移；standarddeviation用于计算标准偏差；auncertainty用于计算a类不确定度；deletsigma用于实现3sigma剔除；虚线实线箭头表示每个函数之间的引用关系。
[0063]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

技术特征：
1.一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统，其特征在于，包括：模拟信号调理单元，将激光干涉产生的光信号转换成电信号并进行滤波处理，去除线性漂移和抑制部分高频干扰噪声，并将原始小信号放大到模数转化器的量程范围之内；模拟数字转换单元，将连续的模拟信号转换为离散数字信号；外部时钟单元，输出正弦波信号，提供稳定的外部时钟和时间基准；系统核心控制单元，对激光干涉条纹信号进行采集、存储和传输的处理与控制；电源转换供电单元，维持采集系统正常工作；数据传输单元，将微处理器计算处理完成的数据传输到测控终端显示；测控终端处理显示单元，将前端数据采集处理好的离散化的干涉条纹信息连续并呈现到显示器上。2.根据权利要求1所述的高速采集系统，其特征在于：所述模拟信号调理单元包括ths3091运算放大器。3.根据权利要求1所述的高速采集系统，其特征在于：所述模拟数字转换单元包括ad9248模数转换芯片及其外围电路。4.根据权利要求1所述的高速采集系统，其特征在于：所述系统核心控制单元为xc7k160t系列fpga微控制处理器，支持usb3.0传输协议，内置fifo逻辑。5.根据权利要求1所述的高速采集系统，其特征在于：所述数据传输单元包括用于usb3.0与fifo之间起到桥接作用的ft601芯片，采用usb 3.0micro-b接口与测控终端连接通信。6.根据权利要求1所述的高速采集系统，其特征在于：所述测控终端处理显示单元通过读取usb3.0采集设备信息，将数据存入本地文档，采用多线程协作的方式，分别处理有效和无效数据，在测控终端显示界面生成干涉条纹信号波形。7.根据权利要求1所述的高速采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：设置缓存包个数、单个缓存包字节数，设置接收阈值；s2：判断是否存在usb3.0采集设备接入测控终端，若存在，执行s3，若不存在，则弹出对话框提醒无设备接入；s3：连接成功接入的usb3.0采集设备准备通讯，若连接成功，执行s4，若不成功，则弹出对话框提示重新连接并报出相关错误；s4：开启接收线程，创建与s1中设置缓存包个数相同数量的字节数组，数组长度与s1中设置的单个缓存包字节数相同，并将所有字节数组存放于list<byte[]>数组中；s5：通过无限循环读取usb3.0采集设备的采集信息，并将采集信息按照list<byte[]>数组中字节数组的顺序依次接收；s6：循环遍历list<byte[]>数组，通过数组的indexof()方法检测s5中的所有预接收数据是否存在开始符，若某个字节数组存在，则执行s7，若不存在，则重复执行s5；s7：接收s6中检测到开始符的字节数组以及该字节数组之后的所有数组，并通过数组的indexof()方法检测当前接收数组是否存在结束符，若存在结束符，则执行s10，若不存在结束符，则重复执行s8；s8：将s7中接收完毕的字节数组清零，并将清零后的字节数组重新提交到s5中的list<byte[]>数组中进行数据的接收；
s9：结束此次采集信息读取，将读取的所有数据存入本地文本文档中；s10：结束此次采集信息读取，将存入本地文本文档任务一个任务队列，采用多线程的方式，将此次采集数据开始符之前以及结束符之后的无效数据删除之后，存入本地文本文档，之后将该任务移除任务队列；s11：将s10中处理完毕的数据生成信号图，并将存放接收数据的所有数组清零，然后开始执行s4直到手动结束采集。8.根据权利要求7所述的采集方法，其特征在于：在步骤s7中，若接收数据量达到s1中设置的阈值且未检测到结束符，则执行s9。

技术总结
本发明公开了一种应用于光学绝对重力仪激光干涉条纹信号的高速采集系统及采集方法，该系统包括模拟信号调理单元、模拟数字转换单元、系统核心控制单元、数据缓存单元、数据传输单元以及测控终端处理显示单元。本发明针对激光干涉条纹信号频率高、电压幅值低、采集速率快，以及绝对重力精密测量要求信号完整性好、测量精度高等特点，设计了基于FPGA实现的光学自由落体绝对重力仪激光干涉条纹信号高速采集系统，充分利用FPGA并行计算处理的优势，结合串行总线传输技术(USB)和FIFO缓存技术，极大的缩短采集系统在干涉条纹信号采集、存储和传输等方面的处理时间。本发明有效的提高了绝对重力的获取速度，为实现绝对重力的动态测量和监测提供了基本保障。和监测提供了基本保障。和监测提供了基本保障。


技术研发人员：胡若 王启宇 冯金扬 李春剑 吴书清 张华帅 要佳敏
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6