光信号处理（精选十篇）
光信号处理 篇1
1 引言
挂车照明装置可分为车外照明装置和车内照明装置。车外照明装置是为了保障车辆行驶安全、提高运输效率而设置的。不同种类的汽车照明装置在每个国家的法规中对其照明灯的数量、安装位置尺寸、光色、功率及配光性能等都有比较严格的规定。
挂车光信号系统的终端为车外信号装置, 分类按作用不同可分为主动信号装置和被动信号装置。主动信号装置是指本身具有光源的信号灯具, 如制动灯、转向灯、示廓灯、驻车灯等。被动信号装置是指本身无光源, 通过将另一辆汽车前照灯的灯光反射的途径发出信号的装置, 如回复反射器。回复反射器是通过外来光源照射后的反射光向位于光源附近的观察者表明车辆存在的信号装置。
2 挂车光信号系统
挂车光信号系统由电源控制系统、联结电线束、信号灯具3个部分组成, 见图1。
挂车光信号系统的电源控制系统一般为单片机控制系统, 联结电线束一般为非密封式波纹管线束, 挂车光信号系统的稳定性、可靠性取决于上述3个部分的相互作用, 这3个部分缺一不可。
3 挂车光信号灯具
(1) 灯具的光学系统设计
挂车光信号系统的灯具可供灯具使用的光源有很多种类, 并不是所有的光源都能满足灯具特定功能的要求。在设计时, 从光源的尺寸、功率、显色指数、发光效率、寿命、光色等各方面选择与灯具要求相匹配的光源。例如, 在色彩辨别要求较高的视觉作业场合, 选择显色性好的光源;在不易安装、替换的场所, 选择寿命长的光源;在其他条件都符合的前提下, 选择光效高的光源。有许多种光源的发光受点灯方向的影响, 向上、向下、横向、侧向都可能影响光源的正常发光甚至熄灭。例如, 发光中心位置的变化、偏移都会改变光学系统的预定光输出, 从而影响灯具的照明功能。因此, 选择合适的灯位是反射器设计的一个要素。
灯具光学系统的设计, 最基本也是最重要的功能就是根据光源的光输出分布, 通过合理的光学系统, 改变光通的空间分布, 以达到特定照明场合的要求。因此, 灯具光学系统的设计是灯具设计的核心。一般采用的光学系统有反射型、透射型和反射透射结合型3种。
反射器的设计要考虑反射材料的反射系数、反射分布形状;同时要考虑合适的反射曲面的构成、反射器起始角和截止角的大小、光中心与反射器顶点的距离;还要考虑光源尺度的影响。对于要求光效高、方向性好的灯具可采用镜面反射材料;对于光线要求柔和的灯具可采用扩散反射材料;对于眩光控制要求高的灯具可采用较大的截止角;对于光输出分布比较规则的灯具可选择合适的特种几何曲面如抛物面等;对于光输出分布各向不均匀的灯具 (如汽车前灯) , 就要采用复杂的曲面, 甚至是自由曲面。部分灯具见图2。
(2) 灯具的配光、配色功能
目前, 国家法规对汽车信号灯具配光、配色要求所实施的标准有GB 15235《汽车及挂车倒车灯配光性能》、GB/T 10485—2007《道路车辆外部照明和光信号装置环境耐久性》、GB5920《汽车前后位置侧灯、示廓灯和制动灯配光性能》、GB11554《汽车及挂车后雾灯配光性能》、GB11564《机动车回复反射器》、GB17509《汽车及挂车转向信号灯配光性能》、GB18099《汽车及挂车侧标志灯配光性能》、GB18408《后牌照板配光性能》、GB4785—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定等》。以转向灯具为例, 一种转向灯 (2a类单灯) 的配光数据见图3。
(a) 第2a类 (单灯) 转向信号灯配光性能 (b) 配光系统测试点分布图
在图3中, 对该转向灯具进行了配光屏幕上的21个点的光强测试, 根据法规要求, 每一个点的光强必须在一定的范围之内, 如10U-5L点, 最大值为350 cd, 最小值为10 cd, 实际测量数据为138.3 cd, 符合要求。
国家法规对挂车信号灯具配色也有严格的要求, 以转向灯具为例, 图4为一种转向灯 (2a类单灯) 的配色数据。
图4中黄色信号灯光色的坐标值为x=0.578 1, y=0.416 7, u=0.337 9, v=0.365 3, 色温为1 661K, 主波长为591.1 nm, 符合法规要求。
对于正在发展中的LED芯片的光色, 特别是白光产品的光色稳定性是一个难题, 如何能制备出具有高显色性、高发光效能的白光LED是LED能够在一般照明中广泛使用的前提。对于白光LED而言, 发光效能、显色性及成本都决定着它在照明市场中的竞争力。当前, 制备白光LED的方法可以分为3种, 即红、绿、蓝 (RGB) 多芯片组合白光技术、单芯片加荧光粉合成白光技术及MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术。几种技术相比而言, 除了正在处于研究探索阶段的MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术外, 虽然RGB型LED具有发光效能高、显色性好等优点, 但是3种芯片性能的不同, 使得它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移, 影响照明稳定性。
(3) 挂车灯具的分类
挂车灯具按密封性能分为密封灯具和非密封灯具。国外挂车一般为密封灯具, 灯具损坏如灯泡不亮后, 直接更换灯具总成。按光源分, 主要由普通卤素灯泡灯具和LED灯具, 密封式灯具见图5。
公司前些年开发一种可换灯具为密封灯具, 其结构新颖、使用方便。主要是公司为配套国内外挂车、半挂车信号灯具开发的, 包括4″圆灯、6″椭圆灯 (大灯) , 2″、2.5″圆灯、4″长灯 (小灯) 5大系列, 50种型号的产品, 该系列灯具定位为公司第一代可换灯具, 该产品2009年1月已经获得国家发明专利。一般汽车信号灯具存在着使用寿命不长的缺点 (受光源寿命的影响很大, 一般白炽灯泡的寿命在500 h左右。) 在灯具光源失效后, 一般灯具不易更换或不能更换, 导致灯具直接报废, 从而大大缩短了灯具本身的使用寿命, 可更换灯源的灯具见图6。
本产品包括灯体、灯泡座组件与灯镜, 其特征在于所述的灯泡座组件嵌有灯泡光源、灯泡座、密封圈、导线, 灯镜与灯体焊接成一整体。本产品的优点是灯具结构简单且有较长的使用寿命。公司在可换灯具投产稳定后, 其过程能力指数CPK>1.33, 已经对部分可换灯具进行取消100%浸水, 加工效率得到较大提高。
(4) LED灯具现状与发展
LED汽车灯具为使用若干LED发光管作为汽车灯具发光元件, 代替目前普遍使用的卤素灯泡, 采用专业配光设计以满足汽车灯具配光性能要求。采用恒流电源电路技术以保证LED管的使用寿命和发光稳定性, 具有反应速度快 (仅为1.4 ns, 而普通白炽灯为0.4 s) 、使用寿命长 (达100 000 h, 是普通白炽灯最高寿命5 000 h的20倍) 、节能环保 (为普通光源耗电量的1/3) 、可靠性高等优点, 符合国家产业政策。
新型LED光源灯与现有产品 (白炽灯) 性能对比分析见表1。
从2004年开始研发并销售LED汽车灯具, 产品达到国际先进水平, 现已经开发出4″圆灯、6″椭圆灯、2″圆灯、4″长灯、警示灯、侧标灯等, 满足了汽车转向、制动、侧标、警示等功能。LED汽车灯具见图7。
(5) LED汽车灯具的设计特点
a.外观与结构设计
根据LED汽车灯具对外观的特有要求, 如电路板块、透光面等, 设计人员充分运用专用设计软件进行外观设计。由于LED汽车灯具结构要求紧凑、稳定性高, 结构工程师按照优化后的外观设计方案, 制作各零件的三维实体, 通过软件验证各零件的尺寸、装配方式、结构安排等, 从而确保产品功能的完善, 并符合国家标准、国际标准的要求。
b.配光设计
LED汽车灯具的配光设计充分利用各单个LED光源的光通量, 提高整个LED汽车灯具的光的利用率。首先, 进行LED光源的三维阵列设计, 根据标准对配光的要求, 建立光学数学模型来验证;二是进行配光镜花纹或是反光镜曲面设计, 应用自主开发的配光软件来模拟计算验证光形和光的分布, 以达到最为合理、有效的设计;三是光电元件的选用和模块的设计, 对应于LED汽车灯具的高稳定性、长寿命并适用各种恶劣环境的要求, 选用高性能的LED光源, 采用恒流电源, 高散热性的设计, 将灯具温度控制在50℃以下, 以保证光效能;四是灯体、灯镜采用优质的PC材料, 适应各种恶劣环境而不变形。
c.工艺设计
工艺设计分为线路板总成焊接、灯镜注塑、超声波焊接几个部分, 同时使用具有特殊要求的生产环境, 如防静电、防尘、防潮室等, 以防止击穿单管。
(6) LED技术难题
LED在理论上发光效能可以高达200 lm/W以上, 而现有的白光LED则只有70 lm/W左右, 与节能型荧光灯相比还有一定差距, 而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势。因此, 如何尽快把LED的优势真正发挥出来已成为现在相关从业人员所必须要面对的技术难题。而要真正开拓出一个全新的半导体照明时代, 还要从LED芯片、封装与散热等几个方面努力攻克技术难题, 需要进一步规范半导体照明市场。LED芯片的结构有单异质结构、双异质结构及量子阱结构等, 它对发光效率具有很大的影响。目前, 使用最为广泛且最有效率的芯片结构为多量子阱结构。对于LED而言, 其外延片与衬底的晶格常数、热胀系数是否匹配及外延片制备工艺等都会直接影响晶格的缺陷密度。这些缺陷可能在某些条件下, 特别是对于Ⅲ-氮的发光可能有利, 但是就大部分情况而言, 因为这些缺陷的存在, 会缩短芯片的连续工作寿命, 减少载流子密度进而降低发光输出, 以及可能成为无辐射复合中心。必须要处理好LED的封装:应该尽量减少光线在LED内部的全反射, 增加衬底基板反射率, 从而使尽量多的光线能够透射出来, 提高LED的外部量子效率, 也就是增加LED的发光效能。
LED的散热问题是影响LED驱动电流提升的一个重要因素。根据下列公式:
TJ=TA+PD (θJ-P+θP-A) =TA+PDθJ-A
式中, TJ为p-n结处的温度;TA为环境温度;PD为耗散功率;θJ-P为结点与阴极插头之间的热阻;θP-A为阴极插头与空气之间的热阻。LED芯片结点处的温度TA直接影响到LED的寿命, 因此LED散热能力的强弱限制了LED功率的大小以及安装使用环境的温度。
4 挂车光信号电源及控制系统
挂车由于其车架很长, 有的可以达到30m, 电源线路往往很长, 同时由于分支出去的信号灯具较多, 线路比较复杂, 对电源控制系统要求很高, 目前国内电源系统一般采用24 V直流电源, 国外采用12 V电源。
下面以AT89C51单片机来实现的汽车信号灯控制系统为例进行控制系统介绍。在系统中利用8个开关来模拟汽车驾驶操作, 然后用12个灯来作为汽车信号灯。当拨动开关改变相应的状态时, 单片机就会检测到相关类型的状态, 根据内部程序来驱动相关的汽车信号灯 (发光二极管) 闪烁或长亮, 依次达到挂车光信号控制的目的和要求。系统选择了8个开关、AT89C51单片机、74LS240芯片及多只发光二极管。其中, AT89C51做为控制核心, 当8个开关的状态发生改变后, 单片机检测到开关信号后就通过软件输出相关信号, 在经过74LS240芯片来驱动12个汽车信号灯根据开关的相应状态闪烁或常亮。
AT89C51是低电压, 高性能的CMOS 8位单片机, 片内含4K bytes的可反复擦写和只读程序存储器 (PEROM) 和128 bytes的随机存取数据存储器, 该件采用高密度、非易失性存储技术, 兼容标准MCS-51指令系统, 片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。FLASH存储单元的Flash闪速存储器 (与MCS-51产品指令系统完全兼容) 可重擦写1 000次, 采用全静态操作和可编程串行UART通道及低功耗空闲、断电保护模式。
5 挂车光信号联结系统
挂车光信号联结系统主要由电线束组成, 电线束由主线束和分支线束组成。根据挂车车架的长度以及挂车不同位置上信号灯具的分布配置情况, 配置相应的分支线束。目前, 挂车使用较多的是非密封式线束, 也就是采用单根QVR芯线作为主线, 外包波纹管。控制器接线点与分支器接线点是一对一结构。主线束芯线往往数十根, 结构复杂, 同时线束本身的质量较大, 密封性能较差, 从而使线束的耐温、耐老化、抗腐蚀性能不稳定。传统的波纹管线束由QVR电线、护套、接插件、波纹管等构成, 存在导线外露、易腐蚀、易老化, 有电磁干扰, 加工比较困难, 电路容易引起错路、短路现象, 可靠性不强的缺点。波纹管车身线束简图见图8。
密封式线束主要是为汽车的灯具提供电源的连接装置, 采用优质的PVC材料和电缆、接插件等。具有整体完全密封性能, 还具有抗老化、抗腐蚀, 寿命长, 耐击穿, 屏蔽效果好等特点。密封式线束电气原理见图9。
实施密封式线束的技术解决方案是以优质的PVC材料和QVVR电缆代替QVR电线、波纹管, 采用先进的低压注塑工艺, 用胶棒包住所有的支线与主线的连接点及支线与插头插座连接点, 以达到线束完全密封、抗老化、抗腐蚀、寿命长、耐击穿、屏蔽效果好等目的。对于整车厂家, 装车时连接简单, 接线易于防错, 每个插头插座设计为全密封形式, 具有防水功能, 与相应功能的灯具可靠连接, 因而为很多汽车厂家优先配置。全密封式线束实车布置图见图10。
该系列线束2008年1月2日获得实用新型专利 (专利号ZL200720062440.5) 证书;2008年1月9日已经获得线束胶棒外观专利 (ZL200730069706.4) 证书;2 0 0 9年9月3 0日获得国家发明专利 (ZL200710034390.4) 证书。
6 挂车ABS的光信号系统
挂车气压ABS的光信号系统的核心是ECU, 它是整个ABS系统的中枢神经。ECU接收并处理来自传感器的电信号, 并发送控制信号到电磁阀, 电磁阀根据ECU发送的信号对制动室的压力进行调节, ABS警告灯用来告知ABS系统是否正常。挂车的ECU和调节器组合在一个单独的支架上 (见图11) , 系统可使用专用于ABS的ISO 7638电源和ISO 1185 (24 V) 制动灯电源, 在挂车前部连接板上装有警告灯, 司机通过后视镜能看见它, 该灯通过接线盒、ISO 1185 (24 V) 与ABS相连。挂车ABS的光信号系统见图12。
当挂车配置专用电源ISO 7638时, 在一般情况下, 电源控制驾驶室仪表板上的警告灯 (ABS2) , 每次ABS ECU通电后, 亮灯的顺序正常则表示系统完好。在车辆行驶时, 若有故障被检测到则警告灯常亮。当车辆以10 km/h以上速度行驶时警告灯熄灭, 电子系统完成检查。&AMT
光催化氧化法处理造纸废液研究 篇2
光催化氧化法处理造纸废液研究
以高压汞灯作光源、锐钛矿型TiO2为催化剂,开展了光催化氧化法降解造纸废液的.试验研究,考察了TiO2投量、H2O2投量、pH值、反应时间等因素对降解效果的影响.试验表明:25mL的废液在TiO2投量为0.3g、3%的H2O2投量为4 mL、pH=12.5的条件下,于室温下光照2 h后对COD的去除率和脱色率分别达到了60%和90%,即采用光催化氧化法处理造纸废液是有效的.
作 者：戴前进 作者单位：北京市市政工程设计研究总院,研究所,北京,100035刊 名：中国给水排水 ISTIC PKU英文刊名：CHINA WATER & WASTEWATER年，卷(期)：200521(2)分类号：X703.1关键词：造纸废液 光催化氧化法 二氧化钛
光信号处理 篇3
关键词：LH 1600G 收光弱 中断 处理
1 概述
密集波分复用（DWDM）光传输系统是现代通信网络的重要组成部分，主要用于通过长途干线光缆进行远距离大容量的各类通信业务的传输。
河北省高速传输环网是由原河北省通信公司于2001年建成并投入使用的河北省第一条DWDM光传输系统。该网络采用加拿大北电网络公司OPTera Long Haul 1600G 密集波分复用光传输设备组成DWDM传输网络，并且采用北电DX等SDH设备组成环状网络进行2Mbit/s、155Mbit/s、2.5Gbit/s等速率业务信号的传输。
随着业务的发展，河北省高速传输环网历经多次扩容，所承载的业务数量大大增加，业务类型也不断变化。特别是随着10Gbit/s高速率IP业务在DWDM网络上的大量开通，在网络的维护中出现了新的问题。
2 问题分析
由于早期传输的2Mbit/s、155Mbit/s、2.5Gbit/s等业务信号是在SDH设备所组成的环网上传输，当由于长途光缆意外中断等原因引起DWDM网络中断时，依靠SDH环网的网络保护倒换能力，这些业务信号依然能正常传输而不致引起业务中断。
随着业务的不断发展，10Gbit/s的IP业务信号是直接在DWDM网络中传输，即采用IP OVER DWDM方式。由于河北省高速传输环网建设时间较早，并不能对在DWDM网络中传输的10Gbit/s的业务信号提供保护。当由于长途光缆意外中断等原因引起的DWDM网络中断时，10Gbit/s的业务信号必然会发生中断。此时，如果没有其它空余的光缆资源可以进行紧急调度的话，传输机房维护人员是对此情况无能为力，只能等光缆修复后业务的恢复。
按照通信维护工作的要求，当发生通信故障时，尽快恢复通信是重要工作。
经过研究分析，我们发现在有些情况下，DWDM网络中断时并不是因为LH 1600G设备收不到光，而是因为某些原因造成收光减弱，导致DWDM网络中断。此时，对于LH 1600G设备，可以采用调节设备设置参数的方法对DWDM网络紧急恢复，以保证业务的正常。
当LH 1600G设备建成投入使用时，按照北电公司技术要求，北电工程师会将各站点正常收光功率值等各项性能指标输入网管系统，并且设置Input LOS threshold和Input shutoff threshold 两个性能指标。通常，Input LOS threshold设置值比正常收光功率值低3dB，Input shutoff threshold设置值比正常收光功率值低6dB。
LH 1600G对于接收端的光功率的检测是在Dual AMP盘上进行的。当收光功率比正常值低3dB时，即达到Input LOS threshold设置值时，出现AMP Loss of signal threshold crossed 告警，提醒用户收光功率已经下降。当收光功率比正常值低6dB时，即达到Input shutoff threshold设置值时，出现Shutoff threshold crossed 告警，引起DWDM网络中断。
因此，在由于收光功率比Input shutoff threshold设置值低引起DWDM网络中断，但又低的不是很多，能够满足光器件敏感度的要求时，我们可以通过更改Input shutoff threshold设置值，使此指标低于实际收光功率的方法来紧急恢复DWDM网络的运行。
3 操作方法
查询Input LOS threshold和Input shutoff thresh
old设置值：
在网管系统进入需要操作的网元后，在主菜单下，依次执行：
4.Facility
1.OTR Facility
2.optical AMPlifier Facility
2. QueRy General Parametets
选择所需要查询的Dual AMP盘后，会显示出许多指标值，其中就有Input LOS threshold 和 Input shutoff threshold设置值。
更改Input LOS threshold和Input shutoff threshold设置值：
在网管系统进入需要操作的网元后，在主菜单下，依次执行：
4.Facility
1.OTR Facility
2.optical AMPlifier Facility
3. Edit General Parametets
此时，如果执行15. Input LOS threshold，可以更改Input LOS threshold设置值；如果执行16. Input shutoff threshold，可以更改Input shutoff threshold设置值。
4 实际案例
2010年7月某日，河北省高速传输环网H站（收D站方向）突然出现Shutoff threshold crossed 告警，同时H站与D站间DWDM网络中断。
此时，经过H站与D站间的10Gbit/s IP业务全部中断，其余业务因开在SDH设备上而受到保护正常传输。
查看H站收D站光功率，看到此时收光功率为-14.6dBm。而正常值为-5.9dBm。查看Input LOS threshold 设置值为-8.9dBm，Input shutoff threshold设置值为-11.9dBm。考虑到收光功率已经下降到Input shutoff threshold设置值以下，但下降得并不是太多，此时紧急修改Input shutoff threshold设置值为-16.0
dBm后，DWDM网络恢复正常，10Gbit/s IP业务全部恢复。
通过此番操作，整个故障紧急处理时间不超过10分钟，尽力将业务中断控制在最小范围内。
事后询问H站，得知因某村村民私自在公路旁盖房打地基，造成长途传输光缆损伤，光传输性能下降引起此次故障。
等到光缆修复后，H站收D站光功率恢复为-5.9 dBm。此时，再将Input shutoff threshold设置值恢复为-11.9dBm。
5 结论
更改Input shutoff threshold设置值，使其低于实际收光功率的方法来紧急恢复DWDM网络的运行的方法是在当收光变弱，但还有收光时采用的一种快速恢复网络正常的方法。这种方法可以在长途光缆故障得到处理之前，优先恢复所传输的10Gbit/s业务，最大限度的保证网络的正常传输。需要注意的是，按照北电LH 1600G设备的技术要求，在收光功率恢复正常后，还要将Input shutoff threshold设置值恢复为原值。
由此可见，这种方法是在发生通信障碍后能够迅速恢复通信的有效方法。
参考文献：
[1]Nortel Networks.OPTera Long Haul 1600 Optical Line System 1600G Amplifier Provisioning Procedures.2000年10月.
[2]韦乐平.光同步数字传送网.人民邮电出版社.1998年12月.
纳滤—光芬顿深度处理树脂废水研究 篇4
光芬顿氧化反应可利用光和氧化剂联合作用时产生的具有强氧化作用的羟基自由基, 氧化分解废水中的有机污染物, 使废水的各项污染指标大幅度降低, 该方法具有简便、快速、无二次污染的特点, 在高浓度有机废水处理领域已得到广泛应用[9,10]。本研究以实际树脂废水研究对象, 探讨纳滤和UV-Fenton联用技术对树脂废水的深度处理效果, 寻求一种较优的树脂废水处理技术组合。
1 材料与方法
1.1 实验仪器与试剂
多功能光化学反应仪 (SGY-Ⅱ, 南京斯东柯电器设备有限公司) , COD消解仪 (DBR200, 美国哈希公司) , p H计 (PHS-3C, 上海盛磁仪器有限公司) , 纳滤装置 (荷兰-Salt M公司) 。
试验所用试剂均为分析纯。浓硫酸 (衡阳市凯信化工试剂有限公司) , 七水硫酸亚铁 (成都市科龙化工试剂厂) , 30%双氧水 (成都市科龙化工试剂厂) , 氢氧化钠 (广州市番禺力强化工厂) , 重铬酸钾 (天津市致远化学试剂有限公司) 等。
1.2 实验水样
废水取样于广东惠州大亚湾某涂料公司, 废水来源于生产醇酸树脂、不饱和树脂、UV树脂系列产品中的工艺废水和清洗水, 原水COD约8×104mg/L, 经该厂现有一级处理设备“三效降膜逆流蒸发设备”蒸发处理后, 出水 (含冷凝水) COD约为4000-5000mg/L, 水样p H为3.5左右, 工程后续配套的Fenton氧化去除效率较低, 无法满足化工区入园内废水站的要求 (COD<700mg/L) 。
1.3 实验方法
取3000m L树脂废水, 控制流速10m L/min, 经孔径为1~3nm的纳滤装置后, COD降至1200~1400mg/L。取500m L纳滤后的废水置于光反应容器中, 反应容器底部置有多功能恒温磁力搅拌器, 搅拌转子保证反应溶液的均匀, 同时打开UV光源 (120W汞灯, 254nm) 预热, 当Fe SO4·7H2O完全溶解, 加入一定体积30%的H2O2, 以此为零点开始计时, 根据实验所需, 到一定反应时间后取样, 将取出的水样用Na OH溶液调节p H至10左右, 终止UV-Fenton反应, 静置沉淀后上清液用4.5μm的水膜过滤, 重铬酸钾法测定COD。
2 结果与分析
2.1 反应时间对COD去除率的影响
保持废水p H=3.5 (即原水p H) , 30%的H2O2投加量为8m L/L, Fe2+与H2O2的投加配比 (摩尔比) 为1:3, 当反应时间为3、6、9、12、15、18、21min时取样, 测得COD去除率如图1所示。
由图中可以看出从反应开始到12min, COD去除率不断增高, 15min以后, 无明显差异。在0-3min, COD去除速率变化率较高, 这阶段主要发生的是Fe2+/H2O2体系反应, 紫外光分解H2O2产生·OH的协同作用也提高了去除速率;3-12min, COD去除速率变化率逐渐降低, 这阶段主要发生Fe3+/H2O2体系反应, 此时光催化的作用没第一阶段明显, 有一定协同作用;12min时, 去除率达到67%左右, 反应接近完成, 15min后COD去除率基本保持不变, 反应终止, 因此可以确定反应的最佳时间在12-15min之间, 为了使反应完全, 取15min为反应的最佳时间。
2.2 过氧化氢投加量对COD去除率的影响
保持废水p H=3.5, Fe2+与H2O2的投加配比 (摩尔比) 为1:3, 反应时间控制在15min, 改变30%的H2O2的投加量, 分别为2、4、6、8、10、12m L/L, 最终测得COD去除率结果如图2所示。
由图中可以看出, 随着过氧化氢投加量的不断加大, 对COD去除率有很大的提升, 当投加量为8m L/L时, 去除率能达到最大73%, 但投加量大于8m L/L时, 去除率反而开始下降, 原因可是投加量在2~8m L/L时, 随着过氧化氢的不断增加, 促进了Fe2+同H2O2产生更多的·OH;当投加量大于8m L/L时, 此时过氧化氢开始过量, 反应一开始就将部分Fe2+迅速氧化成Fe3+, 降低了Fe2+的催化效率, 其次还促进了反应HO·+H2O2HO2·+H2O, 消耗了部分·OH, 使得有机物降解减弱, 所以COD去除率开始降低, 最佳过氧化氢投加量取8m L/L。
2.3 p H对COD去除率的影响
控制初始条件:过氧化氢投加量为8m L/L, Fe2+与H2O2的投加配比 (摩尔比) 1:3, 反应时间控制在15min。用氢氧化钠溶液和稀硫酸调节废水的初始p H值约为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0, 测得COD去除率如图3所示。
由图3可以看出, 随着p H的逐渐增大, COD的去除率先升高后降低。芬顿试剂只能在酸性条件下反应, 在中性或碱性条件下, Fe2+不能催化H2O2产生·OH, 且随着p H升高, Fe2+和Fe3+易以氢氧化物的形式沉淀, 逐渐失去氧化作用, 故COD去除率反而开始下降, 当p H约为6时, 去除率仅为34%左右;而当酸性过强时, 溶液中H+浓度太高, 会抑制反应Fe3++H2O2Fe2++HO2·+H+, 阻碍Fe3+转化为Fe2+, 从而降低了体系的催化作用, 影响最终处理效果, 因此当p H为1.0的时候, COD去除率并不高, 只有45%左右。
2.4 Fe2+用量对COD去除率的影响
选择溶液初始p H为3.5不变, 过氧化氢投加量为8m L/L, 控制反应时间为15min, 改变Fe2+与H2O2的投加配比 (摩尔比) , 分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:10, 即投加Fe SO4·7H2O的量分别为21.784、10.892、7.261、5.446、4.357、2.178 g/L (废水) , 结果如图4所示。
由图4可知, 随着Fe2+与H2O2的投加配比不断增加, COD去除率先升高后降低, 当摩尔配比为1:2时接近峰值, 最高去除率可达78%。而当摩尔配比为1:1时, 由于Fe2+含量比较高, 初始反应产生的·OH同有机物发生反应而消耗, 另一部分未参与反应的·OH则生成H2O2而被消耗。而当摩尔配比低于1:2时, 过量的Fe2+易被H2O2氧化成Fe3+, 图中可知当摩尔配比为1:10时, COD去除率不足40%, 投加的Fe2+含量比较低, 直接影响了·OH产生, 此外, 这时体系中过量的H2O2又消耗·OH, 进一步减少·OH的量, 不足以将有机物充分降解。Fe2+投加量直接影响实验结果, 投加量过多成本高, 投加量过少效率低, 实验结果表明Fe2+与H2O2的投加配比为1:2较好。
2.5 正交试验
正交试验考察反应时间、溶液初始p H值、H2O2的投加量、Fe2+与H2O2的投加配比, 四个影响因素, 以COD去除率为衡量指标, 每个因素选择三个水平, 如表1所示, 采用L9 (34) 正交表, 试验方案、实验结果及极差分析见表2。
根据表2中的极差值可以判断废水初始p H值对实验结果的影响最大, 其次是H2O2的投加量和Fe2+与H2O2的投加配比, 而反应时间的影响较小。最优组合为A2B2C3D2, 即初始p H为2, H2O2的投加量为1.0m L/L, Fe2+与H2O2的摩尔比为1:2, 反应时间15min。
2.6 动力学过程
以正交实验得出的最佳因素水平组合为反应条件进行实验, 结果表明1/C2 (COD去除率平方的倒数) 与时间t的线性相关最好, R2=0.9947, 回归结果如图5所示。可以认为光芬顿反应符合三级动力学反应, 降解半衰期为4.2min。
3 结论
3.1纳滤-光芬顿技术深度处理高浓度有机树脂废水有较好的效果, 通过纳滤可以有效去除分子量大的有机化合物, 通过体系产生的·OH强氧化作用有效去除有机物, 反应速度快, 易于调试。
3.2单因素实验结果表明:最佳反应时间为15min、最佳H2O2的投加量为8m L/L、溶液最佳初始p H值为3.0、Fe2+与H2O2的最佳投加配比为1:2。
3.3正交试验的结果表明, 因素的主次顺序为:初始p H值>H2O2的投加量>Fe2+与H2O2的配比>反应时间。最佳反应条件为:p H=2.0、H2O21.0m L/L、Fe2+:H2O2=1:2、时间15min, COD去除率可达80%。
3.4紫外光-芬顿体系反应符合三级反应动力学过程, R2=0.9947, 降解半衰期4.2min。
摘要：采用纳滤-光芬顿处理高浓度树脂废水, 通过单因素和正交设计研究因素的影响和最佳反应条件。实验结果表明, 纳滤-光芬顿技术对该类树脂废水具有较好的降解效果, 实验的最佳反应条件为:初始pH值为2.0, 30%H2O2的投加量为1mL/L, Fe2+:H2O2 (摩尔比) 为1:2, 最佳反应时间为15min, COD的去除率达到80%, 光-芬顿氧化降解树脂废水反应符合三级反应动力学, 相关系数R2=0.9947, 降解半衰期4.2min。
关键词：纳滤,光芬顿,树脂废水
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光催化法处理制药废水应用研究进展 篇5
光催化法处理制药废水应用研究进展
光催化处理制药废水的处理效果、经济性、高效性以及工艺工业化应用规模等根本上都依赖于光反应数学模型的发展来推动,介绍了建立在处理实际制药废水试验基础上的光反应数学模型.阐明光催化法在制药废水处理中作为预处理、单独处理和后续处理的作用机理、去除对象及工艺特点.光催化反应中间产物可能比原污染物毒性更大、化学结构更趋稳定和可降解能力更差,所以在试验研究中应重视对反应中间产物的`种类、数量及其性质的监测和控制.加强对反应的路线、机理和反应动力学的研究,是确保制药废水良好去除效果和作为环境友好型水处理技术的核心.并就目前国外已取得的科研成果进行概括和总结,指出对制药废水进行光催化处理所面临和亟需解决的关键性问题.
作 者：张爱勇 肖羽堂 高冠道 张萌 ZHANG Ai-yong XIAO Yu-tang GAO Guan-dao ZHANG Meng 作者单位：南开大学,环境科学与工程学院水污染防治技术与设备研发开放实验室,天津,300071 刊 名：工业用水与废水 ISTIC英文刊名：INDUSTRIAL WATER & WASTEWATER 年，卷(期)：2006 37(5) 分类号：X791.031 关键词：光催化氧化 制药废水 反应数学模型 预处理 后续处理 反应中间产物光信号处理 篇6
关键词：图像采集和处理；图像叠加；DSP
中图分类号：TP274.2文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0072-02
在医学上，随着微电子和计算机数字图像处理技术的发展，能够对X射线图像进行量化、传输、存储、显示和处理的数字化X射线成像技术进入了X射线影像领域，具有重大意义和应用前景，是医学影像系统的发展趋势，它能节省大量的胶片，其市场潜力巨大，解决了约占影像学科70%左右的数字化问题，有利于X射线图象的存储、处理、传输和显示，并合适进入图象存储、处理、传输和显示，并适合进入图象存储与通信系统（PACS）及远程医学系统。
有三种方式实现X射线成像的数字化，CR（计算机X射线照相术）、DR（数字X射线照相术）和视频数字采集。CR和DR都是将X光模拟信息转换成数字图象。视频数字采集直接对由X射线探测器产生的视频信号实施模数转化，并且获得单帧图像或图像序列。
跟CR和DR相比，视频数字采集拥有自己独特的优点，因此可以应用在不同场合，视频数字采集适合连续动态X射线透视图象信号的数字化采集，并可以看到器官的动态变化以及设备简单、操作方便、成本低等优点。采集的大量动态视频和图象数据可以储存在外部存储在外部存储内，用在采集后独立的诊断上（普通的荧光透视法诊断与成像必须同时），诊断后这些数据可以根据需要保存或者删除，根本就不需要胶片。
1系统主要性能
系统主要应用于CCD医用X线电视设备的后端视频处理，其相应的系统性能要求和实现功能如下所使示：
①视频输入。CCIR（与PAL兼容的黑白电视信号），75Ω（高阻可选）BNC接口。
②3路视频输出。A输出CCIR视频信号（50场隔行）输出，B、C两路输出100 Hz（逐行、或隔行）视频信号输出；A、B显示与输入信号同步的实时图像，C显示冻结图像、存储图像和DSA图像；75ΩBNC接口，标准视频信号，能驱动3个标准显示设备。
视频信号处理部分。图像分辨率：768×576、720×540、540×540、512×512像素；图像位数：8 bit或10 bit；对输入的视频信号（50 Hz）进行倍频处理，输出100 Hz（隔行场频，或逐行祯频）视频信号；递归滤波数字去噪功能；通过一组外部信号（比如脚踏开关闭合信号）控制，图像冻结，能存储16幅冻结图像；通过另一组信号控制，末位图像冻结；能对图像进行镜像与负像处理；通过键盘或其他方式设置参数，控制“灰度”、“对比度”电平调整；视频通道带宽>8M，8M以上的高频衰减陡，量化噪声<分贝；具有字符叠加功能，键盘输入字符；能采集存储1～2 min实时图像，并对采集图像进行DSA（数字减影）等实时处理；图像采集时间长短根据内存大小可以调整设置，内存大小可以在一定范围扩展；图像±90°、±180°旋转，或任意角度旋转；能进行局部图像放大。
2系统性能分析和方案选择
2.1系统性能分析
①系统所要求采样的视频信号的图象分辨率最大是768×576，这是标准的PAL信号分辨率上限，也就是说我们需要处理的信号是标准的PAL兼容的CCIR信号，且是黑白图象信号，这对于我们处理视频信号更为方便。
②系统要求图像位数是8位或是10位，由于我们的医学应用中图像的清晰度置关重要，我们选择图像位数为10位。
③一般的PAL制信号的场频是50 Hz，但在高清晰视频信号采集的情况下选择100 Hz的场频是合适的，我们在电路中要做好50 Hz的倍频处理。
④视频的灰度调节和对比度调节使视频信号具有可调节性，更符合对于视频信号的可调节性，选择合适的方案后这部分的工作将变的很简单。
⑤系统很好的实现了图像的采集，存储和冻结，这对于医学影像中的处理是很重要的一个功能。这部分的功能实现也是很重要的。
⑥系统需要采集存储1～2 min实时图像，以最大的22 min和最大分辨率来计算。22 min的图像是： 25×120×768×576×16 bit=4 045 M~5 G
⑦系统需要能存储16幅冻结图像。所需要的存储器最大容量是：16×2 M=32 M。
2.2系统方案比较和选择
在系统总体方案的实现实现上选择DSP+ FPGA + ARM9+wince的实现方案。
系统采用两块电路板，一块电路板是协处理器电路，由视频采集电路+DSP+FPGA+视频输出电路+图像存储电路实现视频信号的采集和处理，一块电路板是主处理器电路，由ARM9+wince+人机界面构成，实现系统所要求的增强功能的其他功能和相应的键盘输入。把两块电路分开是系统可以做的很柔性，主处理器部分可以根据需要替换成工控机系统（PC系统），协处理器电路提供了相应的接口。图1为系统原理总体框图。
下面就主要的一些电路方案的比较和选择论述如下。
2.2.1视频采集电路
无论是摄像头信号的输出，视频信号的存储，视频信号的叠加、综合，还是DSP的算法实现，系统时基信号在系统的各个环节中都起着非常重要的作用。
系统的输入的是标准制式的电视信号，它是一种复合视频信号（简称CVBS），主要包括两个主要的信号，一是反映当前视场信息的视频信号，另一个是用于视频信号的接收以及同步扫描的同步信号。视频信号的采集、存储、处理和综合都需要知道复合视频信号中有用的视频信号何时开始何时结束，因此就需要产生代表这些信息的系统时基信号，包括行同步信号（简称HS）、场同步信号（简称VS）和像素时钟信号。随着技术的发展，在我们的系统中采用了另一种方案来实现内同步，即选用集成解码芯片结合视频分离电路来得到上面所说的两种视频信息。
2.2.2视频输出电路和倍频电路实现
现在的PAL标准信号使用的是50 Hz频率，在高清晰的电视处理中目前广泛的采用的100 Hz的场频，所以有必要在电路中实现50 Hz的倍频电路，传统的倍频电路是PLL+分频器，这样做不仅需要额外的电路实现而且成本高，我们在系统中也是选用合适的编码芯片，合适的编码芯片同时带有倍频电路，这样同步时序还是由FPGA产生，同步信号经过编码芯片倍频结合编码输出完成视频信号的输出。
2.2.3存储器选择
方案中冻结图像的存储器选择SRAM，SRAM的操作简单，速度快，适合实时存储。存储图像的要求是实时性，要求掉电不丢失的能力，在考虑到所要保存图片的最大容量，采用乒乓NVRAM+硬盘的方式。硬盘用来存储1-2分钟的图像，而NVRAM存储冻结图像。
2.2.4冻结图像和存储图像输
出
方案中采用了FPGA+VHDL
+存储器的方案。
系统有两路动态图像输出，设计成一路经DSP直接处理后送DA直接输出，另一路是要输出冻结图像，存储的图像。它的设计原理如下：
当系统的C路输出不需要输出时，即不需要输出冻结图像和存储的图像时，DSP处理好的图像数据不送入C路的存储部分，存储器的总线与DSP总线是断开的，与DA总线是连在一起的。当有图像冻结命令时，总线切换使得DSP总线处理好的图像送入冻结SRAM，连续保存，并在FPGA中做好索引，当图像冻结命令解除后，有FPGA中的总线切换开关断开DSP与存储器的连接，有与DA相连，有外部信号控制FPGA中的索引单元查找所要查开对像的地址，然后由相应的地址开始输出冻结的图像，地址不断循环，只要有新的控制命令。
显示存储和DSA的图像的原理与显示冻结图像的原理相同，不同的是因为要存储的实时图像的容量较大，所以选用IDE硬盘，IDE硬盘是挂在ARM9上的，如果直接操作速度是个瓶颈，所以考虑用NVRAM+硬盘的方式，NVRAM是掉电数据不丢失存储器，它有与SRAM相同的速度。我们采用乒乓存储的方式作为两者间的缓冲。采集数据放入到NVRAMa保存后,通过FPGA切换把采集的数据放到NVRAMb后，同时a中的数据转移到硬盘中，显示数据时也是采用相同的方法。
2.2.5字符产生
字符显示也是系统人机接口的重要部分，它以字符的形式在监视器的屏幕上实时显示出系统的工作状态和相关数据信息，以此提示系统的操控者实施相应的动作。
从字符叠加的工作方式及本身电路的构成来看，字符叠加技术可以有以下三种方法来实现。
第一种是“图解显示控制”即GDC 方法。它是利用中小规模数字集成电路来实现各部分所要求的严格的时序关系，将形成的字符信号与视频信号在预定的时间关系上混合并显示在屏幕上。
第二种是用CRT 控制器这一类专用集成电路的方法。常用的有8350、8275、MC6845等。它将“图解显示控制方式”中的中小规模集成器件构成的电路集成化。字符或图形等以点阵方式存储在外围的ROM或RAM 中。它使电路大为简化，因而使用较为方便。
第三种是单片“屏幕显示”（OSD）器件方法：因为在与电视有关的产品上并不需要显示很多的字符或图形，因此将以上CRT控制器中的外部存储器与其集成在一起而形成所谓专用字符叠加芯片。常见的有NEC公司的uPD6453字符叠加芯片以及富士通公司的MB90092字符、图形叠加芯片。
本文设计的系统中需要显示的字符量比较少，为了降低开发的成本，合理利用系统的资源，我们采用上述的第二种方案，但字符叠加控制器是由可编程逻辑器件编程实现。
3结语
本文的高性能X光视频图象采集和处理系统实现了对视频信号的实时采集、处理和存储，为信号的实时处理提供了方便。文章讨论的方案的比较与选择对于不同的系统要求都有借鉴意义，对医学视频图象数字化采集与处理方面作了一定的探讨，具有一定的应用价值。
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基于石英光纤的光信号传输研究 篇7
光纤通信是长距离、大容量的通信方式, 它可以高效地传输光信号[1]。由于石英光纤的纤芯直径非常小, 造成光信号的耦合困难和传输难题, 合理选择折射率、数值孔径, 选择好不同模式的石英光纤, 并充分利用衰减特性和色彩特性才能完成输送光信号的工作。
1光信号在石英光纤中的传播原理
由物理光学可知, 光在均匀介质中是沿直线传播的。但是当光射到两种不同介质的交界面时, 将产生反射和折射, 介质的折射率表示介质的传光能力。某一介质的折射率n等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度v之比, 即:
由式 (1) 可知, 折射率不同, 光在介质中的传播速度也不同。折射率越大, 光在该介质中的传播速度越小, 相对来说, 传光速度大的 (折射率小) 介质称为光疏介质, 传光速度小 (折射率大) 的介质称为光密介质。产生全反射必须满足两个条件, 即:
(1) 光线从光密介质射向光疏介质。
(2) 入射角大于临射角[2]。
石英光纤由纤芯和包层组成, 纤芯直径为5～75 μm, 包层直径为100～150 μm。纤芯的作用是传输光波, 包层的作用是将光波封闭在纤芯中。为了只让光波在纤芯中传输, 需要使纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。也就是说纤芯是光密介质, 包层是光疏介质。
下面以射线光学的方法阐述光信号在光纤中的导光原理。光信号在突变型光纤中的传播如图1所示。突变型光纤的纤芯和包层部分的折射率都是均匀分布的。图1上有三条在同一子午面上的光线, 从空气中在光纤轴线处以不同的入射角射向光纤的端面。三条光线在空气-纤芯分界面处发生折射, 它们的入射角i0和折射角i遵守折射定律。
式中:n0为空气折射率。三条光线的入射角不同, 折射角也不同, 折射光在芯层中沿直线传播。它们传播到芯层与包层的分界面上时, 光线3对于n1-n2界面的入射角较小, 将在界面处同时产生反射和折射。反射光能量只占入射光能量的百分之几。大量的折射光进入包层, 然后再折射入高衰耗的涂复层而被吸收, 不能在光纤中向远端传播。光线2相对n1-n2界面的入射角ic正好等于全反射临界角, 所以它没有折射逸出, 能够沿纤芯向远端传播。光线1相对空气-玻璃界面的入射角小于in, 其相对于n1-n2界面的入射角大于临界角ic, 因而也出现全反射, 能够在光纤中无溢出衰耗地向远端传播。
由物理光学的全反射条件可以导出n1sin ic=n2, sin ic=n2/n1即
进一步导出:
式中:
NA称为光纤的数值孔径;Δ称为光纤的相对折射率差。由式 (2) 可见, 数值孔径NA只与突变型光纤的纤芯折射率以及纤芯与包层的折射率差相关, 所以数值孔径本质上反映的是光纤的导光性能[3]。
2光信号在光纤中的传播模式
按照光的波动理论, 光波是波长介于紫外至红外区的电磁波。光波的模式是电磁场的一种场型。场型是指电场、磁场强度的振幅在空间的稳定分布。无论是突变型光纤, 还是渐变型光纤, 凡是在in圆锥角内入射的光线都满足全反射条件, 不会出现折射逸出。这些反射光线还必须满足一定的相位关系才能成为光纤中的传导模式。这种光线在纤芯与包层界面上来回反射的曲折传播可看成是沿轴线方向的向前传播和上下界面来回反射的合成。根据光波的干涉理论, 光波在两个界面间来回反射时, 只有当它来回一个周期引入的相移为2π的整数倍时, 这种光波在两界面间才能形成稳定的场型, 即成为一种模式。由发送端射入光纤端面只能有一束光线时称为单模光纤, 由发送端同时射入光纤端面可以有多束光线时称为多模光纤。多模光纤包括高次模、低次模、基模[4]。光纤中容纳模式数量用N表示, 它与光纤结构参数有关。
满足全反射条件的入射角i的最大值为临界角ic。且
即:
这里定义:
为归一化频率, 它是表征光纤中允许传播模式多少的一个参量。对于圆柱形光纤波导, 当V<2.405时为单模光纤;当V>2.405时为多模光纤。这里需要指出, 单模光纤和多模光纤只是一个相对的概念。判断一根光纤是不是单模的, 除了其本身的结构参数外, 还与信号光的波长有关。例如, 一根芯径为9 μm, n1=1.463, n2=1.460的光纤, 运用式 (6) 在不同λ值下计算其归一化的频率。λ=1 300 nm时, 得出V=2.36<2.405, 因而它是单模光纤。当λ=1 200 nm时, 算出V=2.56>2.405, 因而同一根光纤在较短波长下工作就变成多模光纤了。仍使用上述n1, n2值可计算出光纤的数值孔径为NA=0.108, 此值对应的全反射临界角已达86°, 可以认为能够在单模光纤上传播的光线基本上是与光纤轴线平行的[5]。
由式 (6) 可知, 归一化频率V与三个参数有关系, 分别是光纤的纤芯直径2a、光信号的传输波长λ以及光纤的数值孔径NA。为了保障石英光纤的单一模式光信号传输, 就必须使V值减小, 因此要求光纤的线芯直径尽可能小, 目前的工艺水平可达到4～9 μm;数值孔径要尽量地小, 也就是说纤芯折射率只能略大于包层折射率;光信号的工作波长要尽可能的大, 目前单模光纤选择1 550 nm。
3对应不同波长光信号传输的单模光纤和多模光纤
在光纤通信中单模光纤和多模光纤都有各自的应用范围, 多模光纤ITU-T建议为G.651光纤;单模光纤ITU-T建议为G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和G.656光纤。多模光纤芯径粗, 数值孔径大, 能从光源耦合更多的光功率, 在光纤网络中广泛应用。 单模光纤是在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤, 在阶跃光纤中只传输LP01模, 在无界平方律折射指数光纤中, 只传输LP00模。由于单模光纤只传输基模, 没有模式色散, 频带特别宽, 尤其适合远距离、大容量通信[6]。
3.1 多模光纤
根据ITU-T建议, 多模光纤定义为G.651光纤。多模光纤的纤芯折射率分布有两种型式, 一种是突变型 (也叫阶跃型) , 另一种是渐变型 (也叫梯度型) 。突变型多模光纤在纤芯与包层的界面上折射率呈阶跃型变化, 纤芯的折射率为n1, 包层的折射率为n2, 且各自恒定不变。渐变型多模光纤的纤芯折射率n1分布则是从纤芯轴到包层交界面逐渐减小, 包层的折射率为n2恒定不变。突变型多模光纤有A2, A3, A4三种类型, 工作波长是850 nm。主要应用于短距离信息传输、楼内局部布线和光纤传感器等。渐变型多模光纤有A1a (芯径为 (50.0±3) μm) 、A1b (芯径为 (62.5±3) μm) 、A1c (芯径为 (85.0±3) μm) 和A1d (芯径为 (100.0±3) μm) 四种类型, 工作波长是850 nm和1 300 nm。A1a和A1b型主要应用于数据链路和局域网;A1c和A1b型主要应用于局域网和光纤传感。
3.2 单模光纤
单模光纤的使用波段可划分为六个[7]。O波段 (原始波段, Original) 为1 326～1 360 nm;E波段 (扩展波段, Extended) 为1 360～1 460 nm;S波段 (短波段, Short) 为1 460～1 530 nm;C波段 (常规波段, Conventional) 为1 530～1 560 nm;L波段 (长波段, Long) 为1 565～1 625nm;U波段 (超长波段, Ultralong) 为1 625～1 675 nm。
G.652常规单模光纤, 又称色散未移位光纤。其中, G.652A支持10 Gb/s系统的传输距离可达400 km;支持10 Gb/s以太网的传输距离达40 km、支持40 Gb/s系统的距离为2 km。对于G.652B型光纤, 必须支持10 Gb/s系统的传输距离可达3 000 km以上, 支持40 Gb/s系统的传输距离为80 km。G.652C型光纤的基本属性与G.652A相同, 但在1 550 nm下的衰减系数更低, 而且消除了1 383 nm处的水吸收峰, 即系统可以工作在1 360～1 530 nm波段。G.652D型光纤对无水吸收峰光纤的PMDQ提出更严的要求, 是一种新的光纤类型, 属性与G.652B光纤基本相同, 而衰减系数与G.652C光纤相同, 即系统可以工作在1 360～1530 nm波段。
G.652常规单模光纤的低衰减区在1 550 nm, 零色散区在1310 nm。如果在1 550 nm传2.5 Gb/s系统, 从衰减看, 可传送100 km以上, 从色散受限距离看, 如果采用外调制技术, 能传送58 km。在实际运用中, 应取传送受限距离最小的58 km作为再生段距离, 这样就白白浪费了42 km。如果将零色散波长移到1 550 nm处, 形成低衰减, 零色散都在1 550 nm窗口, 这种光纤称为G.653零色散位移光纤。它的传输能力为10 000 Mb·km。因此对超大容量超长距离的光纤通信单波系统来说, G.653零色散位移光纤是一个理想的传输媒体。G.654光纤称为截止波长位移单模光纤, 也叫1 550 nm低衰减单模光纤, 这种光纤在1 550 nm波长区具有极小的衰减, 仅为0.15 dB/km, 其零色散波长在1 310 nm附近, 截止波长可位移较长波长, 最佳工作波长范围为1 500～1 600 nm, 具有很好的抗弯曲性能。
G.655光纤在1 550 nm波长上有较小的色散, ITU-T规定1 530～1 565 nm波长范围内, 色散应在0.1～6 ps/ (nm·km) 之间。第一代G.655光纤主要为C波段 (1 530～1 565 nm) 通信窗口设计的, 它们的色散斜率较大。随着宽带光纤放大器 (BOFA) 的发展, WDM系统已经扩展到L波段 (1 565～1 620 nm) 。第二代G.655光纤适应了上述要求, 具有较低的色散斜率, 较好地满足了密集波分复用 (DWDM) 的要求。G.655非零色散位移单模光纤已大量用于高速率、大容量、长距离的密集波分复用通信系统中。G.655光纤分为三类, 分别是G.655A, G.655B, G.655C光纤[8]。
初期的DWDM系统通常工作在C波段, 后来又利用了L波段。为进一步扩大可利用的波长范围, 以增加波道数, 人们想到了利用S+C+L三个波段。为了减少系统的麻烦, 又让光纤在这个范围内的色散变化维持在一个较小的范围, 这就引出了对另一种新型光纤的研究, 这种光纤命名为G.656光纤。
4光信号在石英光纤中的传输特性
光信号在石英光纤中的传输特性主要包括衰减 (或损耗) 特性和色散特性。
4.1 光信号在石英光纤中的衰减特性
在光信号沿光纤传输的过程中, 光能逐渐减小的现象称为传输衰减 (或损耗) 特性。传输衰减是光纤通信的主要传输参数之一。传输衰减可分为两部分, 即固有衰减和附加衰减。固有衰减是光纤材料本身所决定的衰减, 它由吸收衰减和散射衰减两部分组成。附加衰减是光纤在使用过程中产生的, 主要包括弯曲辐射衰减、包层和套层衰减、耦合衰减和接续衰减。
对于不同波长的光信号, 在光纤中传输时传输衰减不同。光信号在石英光纤传输衰减随波长的变化关系称光纤衰减的频率 (或波长) 特性, 波长在500～900 nm以及在1 000～1 300 nm范围内, 衰减以瑞利散射衰减为主。在950 nm及1 400 nm附近出现 (OH) -1吸收衰减峰。在波长800～900 nm范围内, 衰减在1～2 dB/km, 提供了以850 nm为中心的短波长低衰减波段。当光波长增大后, 石英光纤 (OH) -1根含量很低, 小于10-9, 吸收峰是由于掺锗 (即以GeO2·SiO2为光纤芯, 纯SiO2为包层) 产生的, 是一种从1 000～1 600 nm波段内传输衰减都小于1 dB/km的极低衰减长波长宽窗口的光纤, 且在1 550 nm处有最低衰减值约0.2 dB/km左右[9]。考虑到光信号的传输低衰减特性, 在石英光纤中不能传输可见光, 而只能传输近红外光波。
4.2 光信号在石英光纤中的色散特性
色散是光纤通信的又一个重要参数。光信号在石英光纤中的色散引起传输信号的畸变, 使通信质量下降, 从而限制了通信容量和通信距离。在光信号的损耗已大为降低的今天, 色散对光纤通信的影响就显得更为突出。降低光纤的色散, 对增加通信容量, 延长通信距离, 发展新型光纤通信技术都是至关重要的。
色散的原因:一是光源发出的光并不是单色光;二是调制信号有一定的带宽。
色散的分类:由不同模式或不同频率 (或波长) 成分组成的光信号, 在光纤中传输时, 由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。光纤的色散分为模式色散 (或模间畸变) 、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散, 也称模内色散。
色散的危害:光纤的色散导致光信号的波形失真, 表现为脉冲宽度, 它是光纤的时域特性。对于数字通信系统来讲, 光信号的脉冲展宽是一项重要的指标。脉冲展宽过大就会引起相邻脉冲间隙减小, 相邻脉冲将会产生部分重叠而使再生中继器发生判决错误, 从而使误码率增加, 传输频带变窄, 限制了光纤的传输容量。
色散的表示方法:常用的色散表示方法有最大时延差用以Δτ, 脉冲展宽σ和光纤3 dB带宽B三种。最大时延差描述光纤中速度最快和最慢光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽用以描述光纤色散对传输信号的影响。将一段光纤看作一个网络, 可用时域法和频域法分析其色散特性[10]。当在时域分析时, 色散影响用脉冲展宽表示, 而在频域分析时, 则采用传输带宽表示。
5结语
目前, 石英光纤对于单一波长的光信号传输容量已达到40 Gb/s, 并已开始进行160 Gb/s的研究。为了进一步提高石英光纤的光信号传输能力, 减小SDH传输速率的压力还可以采用波分复用技术, 即WDM技术和DWDM (密集波分复用) 新技术[11]。目前在一芯石英光纤上传输几十个到上百个不同波长的光信号已经成为现实。
参考文献
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SDH光传输系统故障分析处理探讨 篇8
关键词：故障处理,SDH光传输,电力通信,故障判断,日常维护
随着通信行业的发展, 通信技术日新月异, 尤其是光通信技术发展迅猛。智能电网是今后电网发展的方向, 然而发展智能电网离不开电力通信网的支撑, SDH光传输系统以优越的负荷和定时透明性、灵活好用的复用性和丰富的比特开销等特性被广泛的应用到电力行业。SDH传输网络在电力系统中需要承载包括调度自动化信息、变电集控站遥控信息、调度电话继电保护信号等重要的业务。所以一旦SDH光传输系统出现故障将会引发一系列的电力管理问题, 从而影响电力系统的正常工作。
一、电力SDH光传输系统中经常出现的故障及故障原因分析
1.1SDH光传输系统经常出现的故障
SDH光传输技术在电力行业迅速得到推广应用, 电网的继电保护、自动化、安稳控制等生产业务以及营销、客服等企业管理业务都依赖电网通信系统, 所以电网的光传输网络是支撑整个电网安全稳定运行的重要基础。SDH光传输系统一旦出现故障, 将会对电力作业产生相当大的影响, 这就要技术人员在第一时间对系统进行故障分析。SDH光传输系统的故障主要包括:电力网络不完整、软件硬件存在故障点、无法区别警告级别等。
1.2 SDH光传输系统经常出现的故障原因分析
故障分析需要根据一定的原则, 先整体后局部原则, 在电力上应用时会将很多的变电站连接起来。形成一个相对完整的电力网络, 在查找电力故障时, 首先要从整体网络开始判断是哪个变电站存在故障, 然后再对传输系统和具体设备进行分析, 最终准确的找到故障点[1]。先硬后软原则, 就是在系统出现软件硬件故障时, 首先要对硬件进行故障排除, 主要排除问题包括控制设备、输入设备、光纤断裂、电源故障、SDH设备故障、变电站设备故障及线路故障等。在排除硬件故障后就应该考虑的是软件系统是否需要更新, 是否存在漏洞需要修复。先排除高级别警告再排除低级别警告, 在发生警告的时要先区分警告的级别, 分析后处理时应该先处理高级别的警告如主要警告和紧急警告, 再处理低级别的警告如提示警告和次要警告, 只有正确的对故障进行分析才能在第一时间找到处理办法。
二、SDH光传输系统故障的处理办法
SDH光传输系统在电力上的广泛应用是因为它实现了电力的长距离传输对接, 在分析时, 若确定是光纤和接入设备故障时, 就应该按照故障分析的的原则进行分析和抢修, 在遵循故障分析原则的同时, 还要求技术人员要先观察, 再动手检查和修复, 现在对SDH的处理方法主要有观察分析法、替换法、环回分析法、经验处理法、仪表测试法等[2]。
2.1观察分析法。观察分析法对技术人员的要求很高, 此方法主要是根据技术人员的经验和能力来对系统的故障警告进行分析, 结合系统的接口、性能和传输线路等进行查看, 最终判断故障点和故障类型, 当出现一些特殊的情况如瞬间供电异常、强烈电磁干扰、低压等, 这样就会致使一些设施设备处于异常的工作状态, 有时会出现警告, 有时不会有任何警告, 这时就需要通过经验分析找到处理办法, 如关电重启、倒换业务、下发新配置等, 就可以及时有效的排除故障, 恢复设备的正常运作。
2.2替换法。在SDH光传输系统中, 替换法是技术人员常用的故障排除法, 替换法是指将新的物件代替原来的物件, 达到修复的目的, 运用此方法的物件很多, 包括尾纤、光缆、铜轴头、单板、以及SDH设备。
2.3环回分析法。若是要检测SDH传输设备的故障, 最常用最有效的方法就是环回分析法, 其实质是通过硬件方式和软件方式对信号实现自己发送自己接收, 这样最终可以将故障确定在单盘或单站, 当然这种方法对技术人员的要求很大, 必须保证技术人员要熟知所有的业务流程和具体路由。
2.4仪表测试法。为了减少大量的人力物力, 在故障分析处理时可以采用仪表测试法, 仪表测试可以准确的的对故障定位, 不同的故障可以使用不同的仪器测试, 如光缆性能不好可以使用光时域反射测试仪。
结语:根据本文的探讨发现, 为了保证SDH光传输系统稳定运行更好的服务于电力发展, 因而如何有效地做好SDH光传输的维护及故障处理就是非常重要的。大量的业务将越来越依靠SDH光传输网络, SDH光传输的网络组网方式也就变得更加复杂, 所以本文研究的SDH光传输系统在电力上的故障及故障分析, 并根据故障分析找到处理方法。在故障出现的同时要求按照系统故障分析原则来进行分析, 找到科学合理的故障处理办法, 能更好的处理故障, 恢复设施设备的正常工作, 本文的研究为SDH光传输系统在电力中的应用奠定了一定的理论基础。
参考文献
[1]王从喜, 胡志宽.浅谈SDH光传输系统故障处理中故障定位的思路和方法[J].科技信息, 2010, 15 (11) :147-150.
多路光脉冲信号数据采集技术的设计 篇9
某大型激光装置前端系统包含48束激光脉冲信号, 每束光脉冲的光路是由近十种光学模块串联而成, 为了确保整个前端系统的稳定工作, 及时了解光路的工作状态, 在每束光路中设有多处光学特性测量点, 在不影响系统正常工作的前提下, 将主光路的信号以适当的比例进行分束得到取样信号, 进光电转换后输入至高速示波器, 以对光脉冲信号的脉冲波形、脉冲峰值功率等参数进行实时监控, 因此需要对多路光脉冲信号进行数据采集。采集的数据既能作为系统实时调整的依据, 又能作为后期系统分析的参考。
1 光路设计
1.1总体设计
前端系统中设有3个测量点, 每个测量点有48个取样信号。如果采用4通道示波器, 每个通道测量一个光脉冲信号, 则每4个测量信号需配备一台高速示波器, 因此资源浪费极大, 不便于实际使用。我们将16个取样信号通过2个1×8光时分复用器和1个1×2光时分复用器合并成1路光信号, 通过光电转换后在示波器的一个通道内显示, 这样每个测量点的48个取样信号只需要一台高速示波器的3个通道就可以显示。
图1为示波器1个通道显示16个脉冲波形的总体设计。由于16个取样信号在光路中的光程一致, 因此它们在时间上可视为严格同步, 此设计的重点之一就是把并行的16路脉冲信号转换为1路16个脉冲的脉冲序列, 将取样信号1～8通过1×8光时分复用器, 合成为1路8脉冲的脉冲序列, 取样信号9～16同样合成为1路8脉冲的脉冲序列, 再将2路脉冲序列通过1×2光时分复用器合成1路16脉冲的脉冲序列, 最终通过光电转换器转换后输入高速示波器通道1。
高速示波器的通道4输入的是1路电同步信号, 此信号的频率与光脉冲的频率一致, 电同步信号能够帮助确定第一个光脉冲信号的位置, 其作用在后面的数据采集部分详细介绍。
1.21×8光时分复用器的设计
1×8光时分复用器模块主要根据被测信号为脉冲的特性, 将这些信号进行光时分复用 (OTDM) , 形成有序排列的脉冲序列后再输入后续的1×2光时分复用器以进一步复用。1×8光时分复用器的复用时序如图2所示。其中输入信号脉冲宽度为10 ns、相邻通道的延时间隔为20 ns, 最终形成总宽度为150 ns的脉冲序列。
1×8光时分复用器不同通道信号的延迟时间详见表1。
1×8光时分复用器主要由1×4光耦合器、1×2光耦合器和7个光延迟单元组成, 其中光延迟单元由固定长度的单模光纤构成, 如图3所示。
以真空中光速为3×108 m/s计算, 单模光纤纤芯折射率近似为1.5, 可计算得到图3中各延时单元的长度为:延时单元1和4的延迟时间为20 ns, 光纤长度为4 m;延时单元2和5的延迟时间为40 ns, 光纤长度为8 m;延时单元3和6的延迟时间为60 ns, 光纤长度为12 m;延时单元7的延迟时间为80 ns, 光纤长度为16 m。10 ns的固定附加延时主要来源于1×4光耦合器和1×2光耦合器尾纤长度, 复用器输入端尾纤的延时为2.5 ns, 尾纤长度为0.5 m;1×4光耦合器和1×2光耦合器连接尾纤的延时为5.0 ns, 尾纤长度为1.0 m;复用器输出端尾纤的延时为2.5 ns, 尾纤长度为0.5 m。
1.31×2光时分复用器的设计
1×2光时分复用器将2个1×8光时分复用器输出的宽度为150 ns的脉冲序列进一步复用, 形成最终的脉冲序列并输入高速示波器。1×2光时分复用器的复用时序如图4所示。2路宽度为150 ns的脉冲序列经复用后形成宽度为310 ns的脉冲序列。
1×2光时分复用器各通道信号的延迟时间为:通道1的固定附加延时5 ns, 延时单元延时0, 总延时5 ns;通道2的固定附加延时5 ns, 延时单元延时160 ns, 总延时165 ns。
1×2光时分复用器主要由1×2光耦合器和1个光延时单元组成, 其中光延时单元由固定长度的HI1060光纤构成, 如图5所示。
以真空中光速为3×108 m/s计算, 单模光纤纤芯折射率近似为1.5, 则计算得到图5中延时单元的长度为:延时单元的延迟时间160 ns, 光纤长度为32 m。5 ns的固定附加延时主要来源于复用器输入和输出的尾纤长度, 复用器输入端尾纤的延时为2.5 ns, 尾纤长度为0.5 m;复用器输出端尾纤的延时为2.5 ns, 尾纤长度为0.5 m。
1.4光程的测量
在1×8光时分复用器和1×2光时分复用器的光程设计中将光纤的折射率都近似为1.5, 考虑到所用光纤的折射率的不一致性以及光路制作过程中光纤长度测量的误差, 最终的每一路光程的实际延时都需要通过测量得出, 图6为光程测量系统的示意图。
利用同步信号发生器产生两路同步信号, 一路直接输入高速示波器的通道1, 作为基准脉冲, 另一路作为幅度调制器的外触发信号, 将光纤激光器产生的直流光调制为脉冲光, 将此光信号直接通过光电转换后输入高速示波器的通道2, 测得两个通道内脉冲前沿的时间差ΔT1, 再将被测光路接入测量系统后再次测得两个通道内脉冲前沿的时间差ΔT2, 得到被测光路的实际光路延时ΔT2-ΔT1。
图6中的测量系统主要利用了同一同步信号发生器的两个同步信号间微小的同步抖动 (约10 ps) , 以及同步信号小于100 ps的前沿, 减少了测量的误差。差值方法测量的光路延时可以避免光电转换器和高速示波器本身的响应时间造成的测量偏差。
2 脉冲波形的数据采集
光脉冲序列形成之后, 我们将光脉冲序列经过光电转换后送入高速示波器, 需要对每个脉冲的参数进行测量采集, 由于高速示波器在对脉冲序列进行测量时, 只对其某一个脉冲的参数进行测量, 例如高速示波器对脉冲序列进行幅度测量时, 测得的是幅度最大的脉冲的幅度值, 而不是脉冲序列中每个脉冲的幅度值, 因此还需要将示波器数据读取后再行分析。
在实际工作中, 我们采用的是美国泰克公司的DPO70804B示波器, 通过泰克公司的驱动包可以读取多通道的数据, 读取的数据是数组的形式, 数组中的每一个元素分别为对应通道的波形数据。该波形数据在软件工具LabVIEW中可以直接以曲线的形式显示, 显示的曲线与高速示波器屏幕上显示的曲线一致, 如图7所示。
高速示波器的通道4输入的是同步信号, 示波器处于通道4触发的工作状态, 我们利用通道4的同步信号对脉冲序列进行定位, 即测量得到同步脉冲与脉冲序列中第一个脉冲的时间间隔T1, 在软件测量得到同步信号的位置后, 设定同步信号的前沿时间为T, 即可得到同步脉冲与脉冲序列中第一个脉冲的起始时间点T+T1, 根据脉冲宽度10 ns可以得到第一个脉冲的截止时间点T+T1+10 ns, 由于脉冲序列的脉冲间隔为10 ns, 可将第一个脉冲的起始时间点和截止时间点分别向两侧展宽5 ns, 如此可以得到第一个脉冲的起始时间点和截止时间点分别为T+T1-5 ns和T+T1+15 ns, 这样只要脉冲的位置前后偏移不超过5 ns, 依然可以捕捉到整个脉冲的波形, 以此类推可以得到脉冲序列中每个脉冲的起始时间点和截止时间点, 通过软件可以将每个脉冲对应的时间段内数组数据提取, 再通过一些特定的算法得到每个脉冲的参数具体, 例如可以直接调用LabVIEW软件中自带的幅度值计算函数计算脉冲的幅度, 再通过简单的比较可以得到一段时间内的幅度最大值、幅度最小值等参数。
在这些参数中, 最重要的是脉冲的幅度值, 我们需要将幅度值还原成为被测主光路光脉冲的峰值功率, 以便于对光路状态进行判断。
设定测得的脉冲幅度值为V (mV) , 测得的测量点的主光路信号与输入光电转换器光信号的功率差为X (dB) , 所使用的光电转换器的转换效率为1 003 mV/mW, 则主光路光脉冲的峰值功率P= (V/1 003) ×10 (X/10) , 这样就完成了电脉冲的幅度值到主光路脉冲信号峰值功率值的转换。
3 实验结果
我们通过LabVIEW编制了数据采集的界面, 并通过高速示波器提供的以太网接口和开放的接口协议实现数据的远程通信, 图8为16路光脉冲信号进行数据采集的显示界面。
图8上方的显示窗口是采集的16个脉冲信号的波形, 下方的显示窗口是第一个脉冲的脉冲波形, 可以通过脉冲序号的选择显示任意一个脉冲的波形, 右边的窗口是采集或计算的部分脉冲参数。
弹光调制干涉信号高速数据采集系统 篇10
关键词：弹光调制,高速采集,模数转换器,现场可编程门阵列,Verilog硬件描述语言
引言
近年来,弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEMFTS)在科研、环境和军事等方面得到了越来越广泛的应用。通常情况下,弹光调制傅里叶变换光谱仪具有高速,高灵敏度等特点[1,2,3,4],要求采样速率几十兆甚至上百兆而且传输数据量很大,需要一个高速数据采集系统对这大批量数据进行采集以实现数据的后续处理和分析。随着数据采集技术的不断发展,目前市场上使用的采集方案有很多种,包括单片机控制、DSP控制、FPGA控制等等。其中,可编程逻辑器件FPGA具有灵活、设计周期短,具有模块化和控制简单等特点,同时也可以满足弹光调制傅里叶变换光谱仪的要求。
本文根据弹光调制傅里叶变换光谱仪需高速数据采集的要求,为使所研光谱仪速度快、结构紧凑并便于携带,并结合FPGA和模数转换器AD9224的特点,设计了一种FPGA控制的高速AD采集方案,使其在可编程逻辑器件控制下,实现弹光干涉数据的高速采集。通过实验室自行设计的基于FPGA的采集控制卡,实现了对弹光调制干涉信号高速数据采集的控制。利用Verilog HDL语言编写AD控制代码,成功实现了对数据的高速采集。
1 弹光调制干涉信号分析
弹光调制傅里叶变换光谱仪中最主要的是弹光调制器,弹光调制器是一种基于高性能弹光晶体弹光效应的调制器件,利用压电晶体在光学各向同性的物质上加以周期性变化的机械应力,使弹光晶体共振,形成应力驻波,由于弹光效应,弹光晶体出现周期性变化的双折射,因此光通过弹光调制器后其相位被调制[5,6]。弹光调制干涉原理如图1所示,被测光经过45°角起偏器后,在弹光调制器中由于双折射分解为互相垂直的o光和e光,两束光经过弹光晶体后产生的光程差为L=L0sin(2πft)(其中,L0为弹光调制器产生的最大光程差,L0与弹光调制器中压电晶体的驱动电压成正比;f为压电晶体驱动的频率),最后经过45°角检偏器后两束光产生干涉,干涉信号由探测器转化为干涉电信号,其中产生干涉信号为[7]。
其中,σ为波数,I(σ)为入射光谱。对其采集的干涉信号通过计算机进行傅里叶变换便可获得入射光的光谱:
其中:T0为调制周期(T0=1/f)。
由(1)式可知,弹光调制干涉信号和光程差随时间并不是线性的,在特定波数σ下的干涉信号与光程差在一个调制周期随时间变化如图2所示。
由图2可以看出,调制干涉信号的频率并不是恒定的,由(1)式可知,在特定波数σ下的干涉信号的频率为:
即特定波数σ下的干涉信号的频率最大为:
根据要求,弹光调制傅里叶变换光谱仪弹光调制器的调制频率f=50KHz左右,测量光谱波长范围为5~20μm(波数σ范围2000~500cm-1),光谱分辨Δσ=40cm-1。由最大光程差与光谱分辨率的关系可知[8],,即弹光调制器产生的最大光程差
。将σ=2000cm-1、f=50KHz、L0=250μm带入(4)式可得满足此弹光调制傅里叶变换光谱仪所产生的干涉信号的最大频率为:
根据采样 定理可知 , 最少需要 二倍采样 才可以复原 光谱 , 因此需要 的采样频 率最高可 达2fmax≈32MHz左右,因此数据量大,这就为后续数据的采集和存储提出了高速大容量的要求。
2 AD9224结构说明及典型应用
AD9224是美国ADI公司生产的一种12位、40MSPS高性能模数转换器。它具有片内高性能采样保持放大器和电压参考。在单一+ 5V电源下,它的功耗仅有376m W,信噪比与失真度为±0. 7d B。且具有信号溢出指示位,并可直接以二进制形式输出数据。AD9224采用多级差动流水线式结构对输出错误进行逻辑纠正,以保证在整个工作温度范围内不失码。AD9224的接口十分方便,可广泛应用在图象、通信系统以及医疗超声波设备中[9,10,11]。
2.1 高速数据采集时钟系统
时钟设计是高速数据采集系统中的关键技术之一,对于高速数据采集时钟,使用时经常考虑的时钟参数包括时钟抖动、相位噪声、时钟偏移和时钟稳定度等。采样时钟的抖动必然造成时基采样点的偏离,从而导致系统整体性能的下降,主要表现在对ADC采集数据信噪比和有效位数的影响上。时钟网络的偏移则会导致采样的起始点差异,影响采样数据的一致性[12]。
AD9224可以是单端输入,也可以是差分输入[13]。这由电路连接的方式决定,本设计采用AD8138驱动AD9224,干涉信号通过放大器AD8138将单端信号转换为关于参考电压REF(2.0V)对称的差分输入信号接入AD9224的差分输入端VINA、VINB。图3所示为AD电路整体设计图。
为了保证数据采集时的准确性,在设计电路时至少采用四层板设计,由于FPGA供电电压一般为3.3V,而AD9224的供电电压为5V,因此在FPGA产生的时钟与AD9224时钟引脚之间加一电压转换芯电路,如图4所示:
所用芯片为74LVXC4248,根据芯片说明,3.3V转5V电路设计中应该将引脚接地,此时电压转换方向为3.3V向5V转换,如表1所示。
为了保证时钟的稳定度,设计中采用XILINXISE中内嵌的DCM时钟管理模块来实现。在本设计中需要向AD9224提供一个40MHz的采集时钟,在DCM时钟管理模块中,CLKFX_OUT可以实现时钟信号从50MHz到40MHz的转换。CLKFX是提供全数字、专用时钟频率合成器输出,输出频率是由一个函数的输入时钟频率被M和D所决定,M是乘数(分子)、D是除数(分母)。M和D可以在时钟频率合成器对话框指定。
AD采集的部分控制程序如下:
在AD采集过程中,采集到的数据经过双口RAM缓存[14],在双口RAM的使用中,Ram_write[8:0]代表RAM的写入地址,Ram_read[8:0]代表RAM的读出地址。两个计数器count_write[8:0]控制Ram_write[8:0]保证AD每转换完一个数即存入双口RAM的存储空间中,count_read[8:0]控制Ram_read[8:0]使得当RAM中存储的数据量大于512个的时候就将数据接入USB传输到上位机进行显示。
2.2 USB传输上位机显示
USB作为一种高速通信接口在数据采集系统中得到了广泛的应用,在本设计中采用的是Cypress公司的EZ-USB FX2LP系列中的CY7C68013A作为USB的微处理器控制芯片,在FPGA作为核心的控制下,CY7C68013A采用从机方式,即Slave FIFO方式[15]。由于USB最高传输速度可达480MHz,完全可以满足本设计中数据的高速传输,本设计是通过USB异步收发来传输数据的。
3 设计仿真与实验
本设计采用的是美国ADI公司12位,采样率最高可达40MSPS的高速模数转换器AD9224芯片,以及Xilinx公司Spartan 3E系列的XC3S500E-4PQ208的FPGA芯片。实验用Verilog HDL语言在Xilinx ISE12.4的开发环境中进行了设计输入和综合仿真。为了验证准确性,用Modelsim 6.5进行了功能仿真,将采集到的单块弹光调制器(Photoelastic Modulator,PEM)产生的弹光调制干涉信号通过USB传输,在LABVIEW环境下进行显示。并与NI-5122采集卡在LABVIEW环境下对单块弹光调制器(PhotoelasticModulator, PEM)产生的弹光调制干涉信号采集的信号波形进行对比验证。
3.1 AD采集程序仿真
AD采集在时钟控制下进行模数转换,将转换后的数字信号通过双口RAM缓存,当RAM中数据大于512时就通过USB发出在上位机显示,USB采用异步收发模式,其中slwr作为数据发送的触发端,仿真如图5所示。
3.2 弹光调制干涉信号不同采集方案对比
原始数据是用NI公司的PXI-5122采集卡对弹光调制干涉信号进行采集,采集的弹光调制干涉信号如图4所示。由FPGA控制的高速AD9224对弹光调制干涉信号进行采集,通过USB异步发送到上位机进行显示,结果如图5所示。从两幅采集到的弹光调制干涉信号对比来看,基于FPGA控制的AD9224高速数据采集系统基本可以无失真的对干涉信号进行高速采集。
4 结语
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