[原创]分布光纤测温DTS产品在市场上两种主流产品架构的区别与对比-未来趋势必然向单板化方向发展

“硬件DTS温度数据解码”与“软件DTS温度数据解码”

两种拉曼测温DTS产品架构对比(目前市场两种主流DTS产品架构)

  • 行业技术路线发展历史背景

DTS的原型机,可追溯至1990年左右,1990年至2010年间,普遍DTS产品架构为“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”软件解码方案。由安捷伦AP(光电仪器仪表领域领军企业,全球企业1000强,DTS销售价格单台平均为30万元,国际国内最高端的DTS设备,世界范围内得到广泛认可)的DTS设备在2010年左右,为了适用市场的需求,率先将[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]的老版架构,彻底改变,采用FPGA+ARM架构,即windows解调软件与数据采集卡合二为一,自主开发数据采集卡的同时彻底摒弃工控机,摈弃windows操作系统,所有的温度解调算法在FPGA+ARM嵌入式系统中完成,第一次实现单板化设计,主机通过一块主板的网口直接输出温度数据,不再依赖于操作系统,数据可以对接至linux操作系统、WEB平台、南网系统、国网系统以及任何第三方平台,新一代的架构相比老架构有明显的优势,适应性更强。

国内的DTS的研发,早于2000年左右,第一代与第二代产品,仍然延续架“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”的架构模式。直至2022年的今天,行业内,仍然有大部分企业沿用这种架构。其真正的根本原因,并非不知道“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”的优势,其本质原因在于,此类企业,研发能力较弱,无法完成完全自主设计开发。而只能外购模块,拼装DTS设备,因“[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]”门槛较低,可以通过外购光路模块,外购通用型数据采集卡(通常为PCIE接口双路200Mbps数据采集卡),再将PCIE采集卡像显卡一样插入至工控机的PCIE插槽内,通过widows主机以200MByte/s的速度读取PCIE数据采集卡之中的斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号,通过开发基于windows的解调算法软件,将斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号转换,“软件温度数据解码”成温度信号,再展示出来。

自2014年开始,国内第一线研发人员,认识到老架构的弊端(像是一台游戏电脑主机架构,PCIE插卡式数据采集卡,像是游戏显卡)。同时安捷伦的“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”的优势越来越明显,稳定性与可靠性提升一个大的台阶。“FPGA+ARM单板化嵌入式架构”数据流程如下,其中光路模块可整体外购、可定制生产、也可以委托加工,斯托克斯与反斯托克斯两路光电数字信号进入至单板化嵌入式板卡,单板化嵌入式板卡集成了处理器与200Mbps数据采集卡功能,通过嵌入式算法在航空级FPGA芯片中“硬件温度数据解码”运行,稳定可靠,直接将200Mbps数据处理成温度,并将温度数据发送并展示出来。自2014年始,部分DTS行业龙头企业,开始将产品架构陆续改变为此种模式,但是此种架构,对研发人员的技术水平,要求较高,需要同时具备以下能力。1)、光学高速数据采集FPGA开发能力;2)、具备嵌入式DTS解调算法的优化;3).具备拉曼光学的设计能力;4)、具备200Mbps数据处理能力。因此,至今几乎行业达成一种共识,具备安捷伦架构DTS开发能力的公司,要么是行业1亿销售额以上的龙头公司,要么是资深的一线DTS研发公司,仅此两类。

二、优势对比

两种DTS架构对比

FPGA+ARM单板化集成架构

[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件]拼装架构

解调架构区别

采用FPGA“硬解码”温度数据

通过windows软件“软解码”温度数据

稳定性与可靠性

此架构采用航空级FPGA处理数据,中间没有数据转换,200Mbps数据进来直接处理,接口采集焊接方式。FPGA广泛应用于光通信、航空航空及军工领域,是所有芯片中,安全可靠性级别最高的。可直接在野外环境下使用,适应于高达+60度以上的高温和-25度低温。

通用数据采集卡,通过插卡式的PCIE接口或者USB接口,将200Mbps的数据导入至内存后再使用intel或者amd的CPU进行算法处理成温度。这种类似于游戏主机的架构可靠性与稳定性,大打折扣,稍微的晃动,长途运输,信号干扰,都容易造成数据出错。另外大部分情况下,无法适用野外环境,高温或者低温,容易造成windows主机直接宕机故障。

三防性能

此架构,因摒弃了PC机。可以将整个主板用三防漆固封,表面防水、防潮、防尘“三防”性能和耐冷热冲击、耐老化、耐辐射、耐盐雾、耐臭氧腐蚀、耐振动、柔韧性好、附着力强等性能。防护pcb电路板,减少外界对电路板的损害。在海上平台、煤矿,电力、石油等潮湿,腐蚀,灰尘环境下优势明显

因必须依赖于windows及数据采集卡,工控机主板因为有插卡式的PCIE接口、USB接口、内存、固态硬盘等,无法三防处理。在潮湿,腐蚀,灰尘的环境下,故障率极高

电磁兼容性能

整机架构单板化处理,可适应于各种电磁环境

因主机内部自带windows硬件工控机,在电磁兼容性能较差,容易受到干扰

可维护性

FPGA+ARM单板化主机,可维护性非常强

工控机故障率在恶劣工业环境下,损坏概率较大。不仅仅面临硬件故障,如工控机CPU故障、内存故障、硬盘故障、外设故障等,还面临windows系统故障,如中毒,系统更新故障、进程故障等。部分现场维护人员,任意插U盘,用windows电脑主机作其它用途等。所有的以上任何故障,在客户眼里,都是设备销售方的责任,将电话通知销售方进行维护,增加沟通成本、差旅人工成本,以及客户的信任感大打折扣

成本对比

FPGA+ARM单板化主机的数据采集部分,必须自主设计,同时不需要windows工控机,集成度更高,成本更低。

DTS使用的200Mbps数据采集卡本身价格较高,如国际品牌NI,双路12位以上200Mbps数据采集采集成本即为3万元以上,另外还有工控机成本,正版的windows操作系统成本等。叠加光路成本以后,此类架构的成本往往比FPGA+ARM单板化主机高不少。维护成本与售后成本也高很多

功耗对比

FPGA+ARM单板化主机,功耗可以降低至6-8W。可做手持式设备。或者通过UPS在野外工作很长时间。部分行业,如煤矿,石油等领域对功耗有特殊要求,隔爆认证,石油认证等对设备功耗有明确要求越低越好,节能减减排的趋势。部分工程要求断电情况下24小时不间断运行,同等情况下,选配的UPS电源规格体积重量更小价格更低。同时,在野外环境下,可直接使用太阳能供电,功耗等效于一个普通球形摄像头

因高性能工控机功耗较高,普遍在30W左右,加上通用性的数据采集卡以及激光器等。整机功耗平均在40-50W左右。在对功耗要求较高的领域无法使用,在工程要求外配24小时UPS电源的情况下,相比嵌入式单板化主机6-7倍功耗的相比,USP备电的成本、体积重量直线上涨。功耗太大,通常无法直接使用野外摄像头通用型的小体积太阳能电池板供电。

安全性与可适应性

FPGA+ARM单板化主机,可扩展适应性强,可以适应于各个领域,安全性与可适应性,不受操作系统的限制。可直接接入到JAVA开发的WEB平台,LINUX操作系统,PLC以及内网系统。不依赖于操作系统。

由于DTS应用领域主要是大型的工程项目,如城市管廊、油气生命线、储油、重大电力项目、隧道、南水北调、西气东输、地铁、军工等领域。去windows化的趋势越来越明显,防止重大工程、军事、重要设施外泄,在安全领域,严格限制windows操作系统准入,防止数据泄露。如DTS设备在南网与国网重要线路上使用,要提供主机的windows操作系统漏洞报告及无安全隐患证明。由于windows漏洞非常多,需要近一年的时间,多次提交报告。往后,此趋势将越来越严格。

外观形态对比

FPGA+ARM单板化主机体积可以做到家用交换机大小,最小可达到270mm*200mm*60mm。便携,体积小,重量轻,可以无缝嵌入至其它系统中。比如煤矿隔爆系统,可以有效减少整体系统的体积重量,减小隔爆箱的成本。

带工控机设备,由于工控机性能有要求,体积受限。无法适应于各种形态,体积往往较大。比较难以嵌入到其它大系统中。

性能指标参数

由于FPGA+ARM单板化系统,采集部分,必须由厂家自主设计,因此有能力在数据采集时即集成一些嵌入式软件算法,如抑制高斯白噪声的小波算法和反卷积算法等,可以将温度峰峰噪声减少±0.1,可以有效提高空间分辨率至0.8米以内。在小热点、高空间分辨率等高精度测量情况下,优势特别明显。

数据采集使用是通用型数据采集卡,作用仅限于数据采集与上传,无法在数据采集端集成硬件滤波算法及解调算法,性能指标通常停留在温度噪声峰峰值±1℃,空间分辨率3米的性能指标下。

组网便利性

采用嵌入式单板化主机,网口输出即温度,可以自由组网,多台设备直接挂载于路由器与交换机之下,数据可以直接上传至服务器及物联网云平台。可通过太阳能供电外接4G模块将数据直接送到阿里云、华为云、移动云等通用型的云平台

所有的组网依赖于工控机电脑及windows操作系统,组网协议复杂。难以直接接入至云平台。一般需要进行数据转发协议,将数据转发至平台。

三、两种产品架构区别

(1)[FPGA+ARM单板化主机]的温度数据“硬解码”方案

其中左侧灰色框内,为单板化DTS主机内部结构,仅为示意图,但功能组成清晰完整。包括光路组合模块、光电模块及电源、以及一块自主研发的专用温度“硬解码”主板。右侧为外接模块,如九宫格科技感液晶显示屏,可通过路由器或者交换机,利用RJ45网口实现本地化显示、云平台显示或者接入到整个工程系统大屏,“硬解码”的温度数据支持所有的操作系统及平台。

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(2)[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件主机]的温度数据“软解码”方案

其中左侧灰色框内,为[光路模块+数据采集卡+工控机+windows解调软件主机]内部结构,仅为示意图,但功能组成清晰完整。包括光路组合模块、光电模块及电源、一块外购的通用型双路200Mbps的PCIE插卡式数据采集卡、一套带PICE扩展槽的工业计算机以及一套DTS数据温度解码软件。右侧为外接模块,如VGA温度显示器,可通过服务器数据转发,利用RJ45网口实现本地化显示、云平台显示或者接入到整个工程系统大屏。“软件温度数据解码”必须依赖于windows主机,通过软件解调温度数据。

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