基于光纖傳輸?shù)臒o人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

張雁霞，渠紅光，王晶，李海濤，阮林波

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，西安710024)

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基于光纖傳輸?shù)臒o人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

張雁霞，渠紅光，王晶，李海濤，阮林波

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，西安710024)

為檢查強(qiáng)輻射環(huán)境下無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的工作狀態(tài)，根據(jù)半導(dǎo)體激光二極管直接調(diào)制原理，設(shè)計(jì)了控制指令通過光纖傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生幅度分散性小于0.5%、時(shí)間分散性小于50 ps的四路標(biāo)準(zhǔn)信號和四路觸發(fā)信號，標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號時(shí)間間隔晃動小于1 ns，可同時(shí)對四通道無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查。

實(shí)時(shí)監(jiān)控；光纖傳輸；無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采；激光二極管；間接耦合模式；分散性；

在強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁脈沖測試條件下，為使被測信號，尤其是高頻信號不受限于傳輸介質(zhì)，降低后續(xù)測試數(shù)據(jù)分析處理的復(fù)雜度，同時(shí)避免環(huán)境對測試設(shè)備及人員的影響，通常以無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采作為有效測試途徑之一，即將待測信號通過遠(yuǎn)程數(shù)采數(shù)字化后，由光纖將數(shù)據(jù)傳至控制端[1]。為隨時(shí)了解無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的狀態(tài)，必須對其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于控制端與遠(yuǎn)程端距離較遠(yuǎn)，其間有許多不確定因素，為避免這些不確定因素使無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采產(chǎn)生誤動作，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令以衰減較小且具有較強(qiáng)抗電磁輻射能力的光纖[1]進(jìn)行傳輸。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)必須同時(shí)提供具有一定時(shí)間間隔的觸發(fā)信號和標(biāo)準(zhǔn)信號，其中，觸發(fā)信號作為無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的零時(shí)刻，標(biāo)準(zhǔn)信號作為待測信號，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)判斷無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸鏈路的狀態(tài)，計(jì)算放大衰減系數(shù)，并以此作為處理測試數(shù)據(jù)的參考。另外，由于待測信號數(shù)量較多，無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采有多個(gè)通道，所以，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)還必須同時(shí)產(chǎn)生幅度分散性和時(shí)間分散性均較小的多路觸發(fā)信號及多路標(biāo)準(zhǔn)信號。

本文設(shè)計(jì)的基于光纖傳輸?shù)臒o人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過抗干擾性較強(qiáng)的光纖傳輸控制信號，可同時(shí)產(chǎn)生幅度、時(shí)間特性較為一致的四路標(biāo)準(zhǔn)信號和四路觸發(fā)信號，每路標(biāo)準(zhǔn)信號與每路觸發(fā)信號具有一定時(shí)間間隔，可對四通道無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的工作狀態(tài)及數(shù)據(jù)傳輸鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查。

1系統(tǒng)構(gòu)成

基于光纖傳輸?shù)臒o人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由控制指令發(fā)送模塊、控制指令執(zhí)行模塊和傳輸光纖組成。其中，控制指令發(fā)送模塊處于控制端，控制指令執(zhí)行模塊與無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采端同處于遠(yuǎn)程端。系統(tǒng)原理如圖1所示?？刂浦噶畎l(fā)送模塊由單次脈沖產(chǎn)生電路、去抖動電路、脈沖整形電路及電光轉(zhuǎn)換電路組成；控制指令執(zhí)行模塊由光電轉(zhuǎn)換電路、四路觸發(fā)信號產(chǎn)生電路及四路標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生電路組成。控制指令發(fā)送模塊通過單次脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)單次脈沖，即控制指令，并經(jīng)去抖動電路、脈沖整形電路及電光轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成幅度、寬度一定的光信號。該信號由光纖傳輸至遠(yuǎn)程端的控制指令執(zhí)行模塊，由該模塊中的光電轉(zhuǎn)換電路解調(diào)出控制指令，再經(jīng)緩沖后分為兩路，一路經(jīng)變換后產(chǎn)生四路觸發(fā)信號，另一路經(jīng)一定時(shí)間延遲后產(chǎn)生四路標(biāo)準(zhǔn)信號。觸發(fā)信號啟動無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采，開始對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行采樣，并由無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳至控制端的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，由用戶根據(jù)該數(shù)據(jù)判斷無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的狀態(tài)。

2硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，主要解決的問題有：控制指令與激光器的耦合、容性負(fù)載的驅(qū)動、多路信號的一致性、標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號間的時(shí)間關(guān)系及控制指令產(chǎn)生時(shí)的按鍵抖動消除。

2.1控制指令與激光器的耦合

輸入信號與激光器的耦合通常采用直接耦合及阻容(RC)耦合[2-4]2種模式。直接耦合是指輸入信號通過一定的整形電路后直接驅(qū)動激光器，這種模式電路簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但由于激光器工作時(shí)需要直流電壓提供閾值電流，因此，該模式會將直流電壓引入輸入信號的前級電路，嚴(yán)重時(shí)將會影響系統(tǒng)的正常工作。RC耦合模式是指輸入信號通過耦合電容后再驅(qū)動激光器。RC耦合模式可以克服直接耦合模式的直流串?dāng)_問題，但由于耦合電容的存在，輸入信號的低頻受到抑制。若電容選擇不合適，輸入信號將被微分成一個(gè)窄正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。

圖1無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖Fig.1Diagram of the real-time monitoring system for remote unattended data acquisition

為避免出現(xiàn)上述問題，本文采用了一種間接耦合模式，其原理框圖如圖2所示。首先，將輸入信號Vin與激光器直流偏置電壓Vref分別經(jīng)運(yùn)放A1、A2射隨緩沖；然后，由運(yùn)放A3及外圍電路組成的比例求和電路進(jìn)行疊加運(yùn)算；最后，以運(yùn)算結(jié)果驅(qū)動激光二極管。此時(shí)，輸入信號Vin為控制指令。

圖2間接耦合原理框圖Fig.2Schematic of indirectly coupled mode

輸入信號Vin與直流偏置電壓Vref經(jīng)射隨緩沖后的輸出為

(1)

經(jīng)比例求和后的輸出為

(2)

由式(1)和式(2)可以看出，通過調(diào)節(jié)電阻R1、R2，可以調(diào)節(jié)激光器的調(diào)制深度，使之工作于較低功耗。

采用間接耦合的激光器驅(qū)動模式，實(shí)現(xiàn)了控制指令與激光器直流偏置電壓的隔離，從而可避免兩路信號互相干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

2.2容性負(fù)載的驅(qū)動

為減小系統(tǒng)噪聲，設(shè)計(jì)中以運(yùn)放直接驅(qū)動激光器。但由于激光器為容性負(fù)載，所以，系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩[5]，這種現(xiàn)象在輸入信號前沿為納秒級時(shí)尤為明顯。

為抑制振蕩，除了采用可連接容性負(fù)載、帶寬較高的運(yùn)放驅(qū)動激光器外，還需在運(yùn)放的輸出端與容性負(fù)載激光器間串連電阻Rs，如圖2所示。Rs的阻值取決于運(yùn)放的增益及負(fù)載容值大小，在增益一定的情況下，容值越大，Rs的阻值越大。Rs的另外一個(gè)取值原則是要保證RsCl至少為輸入信號脈寬的7倍，其中，Cl為負(fù)載激光二極管等效電容與寄生電容的并聯(lián)值。

由于激光二極管工作時(shí)需要約1.0 V的直流電壓，為保證其正常工作，驅(qū)動激光器的運(yùn)放輸出直流電壓應(yīng)滿足：

(3)

其中，R0為激光器等效輸入電阻。由式(3)可以看出，若串連電阻Rs過大，由于分壓作用，激光器上直流分壓與輸入信號分壓幅度隨之降低，將會增加光電轉(zhuǎn)換電路解調(diào)控制指令的難度。

此外，還采用超前補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ种普袷?，即在圖2中運(yùn)放A3的反饋電阻RF兩端并接補(bǔ)償電容CF。CF的引入對高、低頻反饋系數(shù)的影響差別較大。對低頻信號，CF對系統(tǒng)的頻響無明顯影響，但對高頻信號，反饋系數(shù)將發(fā)生變化：

(4)

其中，R′=(R3+RF)/(R3RF)。

設(shè)F=R3/(R3+RF)，f1=1/(2πRFCF)，

f2=1/(2πR′CF)，式(4)變?yōu)?/p>

(5)

可以看出，通過選擇合適的f1、f2及CF，可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。本系統(tǒng)中，由于控制指令的前沿大于5 ns，脈沖寬度為500 ns，經(jīng)理論計(jì)算并實(shí)際調(diào)試后，CF取值為1.2 pF。

2.3多路信號產(chǎn)生

利用工作電壓較高(±10 V)、輸出電流較大(≥50 mA)的射頻緩沖器產(chǎn)生快上升沿脈沖信號，再經(jīng)功率分配后產(chǎn)生四路標(biāo)準(zhǔn)信號。

與一般的運(yùn)放相比，射頻緩沖器是在放大倍數(shù)為1時(shí)系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，而且提供的電流也較大；另外，射頻緩沖器的容性負(fù)載驅(qū)動能力也較強(qiáng)。

同軸功率分配器帶寬高、均分性好，但體積大，不便安裝，且成本高。為此，利用對稱性原理，設(shè)計(jì)了電阻式四等分功率分配電路。該電路能使各分路信號幅度和延遲時(shí)間保持較好的一致性，且具有較高的工作頻帶。具體做法是：采用圓對稱輻射狀分路設(shè)計(jì)，輸入信號從圓心加入，4個(gè)分路電阻從圓周均勻輻射，保證各路信號線走線等距離，使各路信號的延遲時(shí)間相同；采用大面積接地，可保證較小的各路信號接地電阻，從而克服各信號之間的干擾，保證輸出信號后沿光滑。分路電阻采用精度為0.1%的高精度電阻，使各路標(biāo)準(zhǔn)信號幅度差小于0.5%，時(shí)間差為 50 ps。

對觸發(fā)信號，由于負(fù)載為高阻，不存在負(fù)載過重的問題，因此，多路信號的產(chǎn)生采用一對多的緩沖模式，將緩沖器的各路輸出通過快響應(yīng)二極管并聯(lián)后直接輸出，滿足了各路觸發(fā)信號之間幅度及時(shí)間的一致性要求。

四路觸發(fā)信號及四路標(biāo)準(zhǔn)信號的波形如圖3和圖4所示。

圖3四路觸發(fā)信號波形Fig.3Waveforms of four-channel trigger signals

圖4四路標(biāo)準(zhǔn)信號波形Fig.4Waveforms of four-channel calibration signals

圖3中垂直靈敏度為1 V·div-1，水平靈敏度為200 ns·div-1，各路觸發(fā)信號的幅度為4 V、上升時(shí)間小于1.5 ns、脈寬為1 μs；圖4中垂直靈敏度為200 mV·div-1，水平靈敏度為200 ns·div-1，各路標(biāo)準(zhǔn)信號的幅度為500 mV、上升時(shí)間≤2.5 ns、脈寬為1 μs。

2.4標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號的時(shí)間關(guān)系

由于無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采對標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號的響應(yīng)時(shí)間不同，且需對無輸入信號時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)采集，故要求標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號的時(shí)間差為200 ns，時(shí)間間隔晃動≤5 ns。

脈沖信號的數(shù)字延遲方法通常有計(jì)數(shù)器法、存儲器法及可編程延遲線法。通常，計(jì)數(shù)器法和存儲器法采用通用可編程器件實(shí)現(xiàn)，便于集成，分辨精度可達(dá)皮秒量級，但延遲時(shí)間的晃動受限于工作頻率；可編程延遲線法的電路簡單，分辨精度達(dá)皮秒量級，且時(shí)間間隔晃動也可達(dá)皮秒量級[6]，因此，本文系統(tǒng)采用可編程延遲線法。

可編程延遲線AD95××系列芯片的延遲精度可達(dá)10 ps。延遲時(shí)間可用tD=tPD+tSD表示，其中，tD為總延遲時(shí)間，tPD為芯片固有延遲，tSD為編程延遲時(shí)間，其表達(dá)式為

(6)

編程延遲時(shí)間范圍為2.5 ns～10 μs，由外部電阻RSET和電容CEXT決定?？赏ㄟ^系列芯片的8位數(shù)據(jù)D0至D7，即n值，對編程延遲時(shí)間進(jìn)行控制。編程延遲時(shí)間的精度為編程延遲時(shí)間范圍區(qū)間的1/256。

標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號之間的延遲電路如圖5所示，實(shí)際得到的標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號之間的時(shí)間間隔如圖6所示。圖6中，水平靈敏度為50 ns·div-1，ch1為標(biāo)準(zhǔn)信號，其垂直靈敏度為125 mV·div-1，ch3為觸發(fā)信號，其垂直靈敏度為1 V·div-1，ch1與ch3的時(shí)間間隔為200 ns，時(shí)間間隔晃動小于1 ns。

圖5延遲電路Fig.5Schematic of time delay circuit

圖6標(biāo)準(zhǔn)信號與觸發(fā)信號的時(shí)間間隔Fig.6Time interval between calibration signal and trigger signal

2.5控制指令產(chǎn)生時(shí)的按鍵抖動消除

控制指令由帶復(fù)位的單次按鈕開關(guān)及外圍電路組成，按動一次單次按鈕開關(guān)，表示發(fā)送一次狀態(tài)檢查的控制指令。但單次按鈕開關(guān)在按下時(shí)，常會產(chǎn)生多個(gè)脈沖[7-8]，即所謂的“按鍵抖動”。消除按鍵抖動有硬件方法和軟件方法，本文采用由單穩(wěn)態(tài)電路組成的硬件方法。

單穩(wěn)態(tài)電路的主要特點(diǎn)是輸出信號寬度不受輸入信號影響，只取決于外圍電路的器件參數(shù)，即在一定時(shí)間內(nèi)，電路只對第一個(gè)脈沖響應(yīng)，該時(shí)間即為輸出信號脈沖寬度。為有效消除按鍵抖動，避免指令被多次執(zhí)行，輸出信號脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)大于按鍵產(chǎn)生脈沖串的時(shí)間，前者至少為后者的10倍。通常，按鍵產(chǎn)生脈沖串的時(shí)間≤5 ms，為此，將輸出信號脈沖寬度設(shè)置為800 ms。

利用單穩(wěn)態(tài)電路的特點(diǎn)，很好地解決了輸入為脈沖串、輸出為單次脈沖的問題，避免了控制指令因按鍵抖動被多次執(zhí)行的現(xiàn)象。

3結(jié)論

本文研制的基于光纖傳輸?shù)臒o人值守遠(yuǎn)程數(shù)采實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，控制信號通過抗干擾性較強(qiáng)的光纖進(jìn)行傳輸，可同時(shí)產(chǎn)生幅度分散性小于0.5%、時(shí)間分散性小于50 ps的四路標(biāo)準(zhǔn)信號和四路觸發(fā)信號，每路標(biāo)準(zhǔn)信號與每路觸發(fā)信號時(shí)間間隔200 ns，時(shí)間間隔晃動小于1 ns。

該系統(tǒng)成功應(yīng)用于大型脈沖輻射場測量中，對四通道無人值守遠(yuǎn)程數(shù)采的工作及數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于校正環(huán)境因素給測試數(shù)據(jù)帶來的偏差，為測試數(shù)據(jù)的處理提供參考。

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A Real-Time Monitoring System Based on Optical Fiber Transmission for Remote Unattended Data Acquisition Devices

ZHANG Yan-xia,QU Hong-guang,WANG Jing，LI Hai-tao,RUAN Lin-bo

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

Based on directly modulated semiconductor laser diode, a real-time monitoring system is designed to check the state of remote unattended data acquisition devices in strong radiation environment. The system can also generate four-channel calibration signals and four-channel trigger signals. The amplitude dispersibility and the time dispersibility among the calibration signals or the trigger signals are less than 0.5% and 50 ps, respectively. The time interval jitter between the calibration signal and the trigger signal is less than 1 ns. The system can simultaneously check the state and the data link of four-channel remote unattended data acquisition devices.

real-time monitoring；optical fiber transmission；remote unattended data acquisition devices；laser diode；indirectly coupled mode；dispersibility；multi-channel signals

2016-05-04；

2016-06-28 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(11305129)

張雁霞(1971- )，女，甘肅景泰人，高級工程師，碩士，主要從事脈沖輻射場測試及自動控制研究。

E-mail:zhangyanxia@nint.ac.cn

TN78

A

2095-6223(2016)031203(5)

多路信號