一種用于地震檢波的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

隨著地震勘測技術(shù)向著精細測量方向發(fā)展,有必要對頻帶寬、靈敏度高、失真度小的地震檢波技術(shù)進行深入的研究。同時,在勘測現(xiàn)場要按一定方式放置一組檢波器，將這一組檢波器的數(shù)據(jù)進行綜合分析，從而得出相應(yīng)的勘測結(jié)果。

本文根據(jù)地震勘測原理，提出一種構(gòu)建地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案：將各節(jié)點信息傳輸?shù)奖O(jiān)控PC機，采用虛擬儀器技術(shù)，使用Labview編寫運行在PC機上的測控軟件，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理；基于全光纖邁克爾遜干涉系統(tǒng)，采用交流相位跟蹤零差檢測技術(shù)(PTAC)，實現(xiàn)對待測信號的精確檢測和誤差信號的補償，減小信號漂移對系統(tǒng)的影響；采用C8051f020單片機對解調(diào)后的信號進行采樣，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過UDP／IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。方案實現(xiàn)了集信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信于一體的智能地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

1 系統(tǒng)概述和工作原理

本文設(shè)計的地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在測試現(xiàn)場的各傳感節(jié)點和監(jiān)控主節(jié)點組成，基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建局域網(wǎng)，實現(xiàn)基于UDP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在進行地震勘測時，各傳感節(jié)點對干涉系統(tǒng)輸出的含有地震加速度信息的調(diào)制信號進行解調(diào)，并對解調(diào)后的信號進行采樣和A／D轉(zhuǎn)換、存儲，然后根據(jù)主節(jié)點的命令將解調(diào)信息傳輸給主節(jié)點進行分析，從而實現(xiàn)分布式的監(jiān)測與信息處理。

傳感節(jié)點主要由檢波器、智能控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口三部分組成。檢波器基于PTAC原理對從光探測器(PIN)輸出的調(diào)制信號進行解調(diào)，并向干涉系統(tǒng)中的相位調(diào)制器輸出載波信號和補償信號，該部分采用模擬電路的方法進行設(shè)計，以確保解調(diào)的實時性。智能控制單元主要由單片機和存儲器構(gòu)成，實現(xiàn)對解調(diào)信號的數(shù)據(jù)采集和存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與監(jiān)控主機的通信。

2 PTAC解調(diào)原理

基于全光纖邁克爾遜干涉系統(tǒng)的PTAC解調(diào)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。激光器發(fā)出的光，經(jīng)端面耦合被3dB光纖分束器分成兩束，分別在參考臂和信號臂中傳播，被高反膜反射后，沿原路返回，在耦合區(qū)發(fā)生干涉，輸出光強為：

式中，I(t)為干涉儀的輸出光強，Io為干涉儀的輸入光強，α為混頻效率(與偏振態(tài)和耦合器的分束比有關(guān))，△φs(t)為外界信號所引起的相位差，Acos(ωct)為載波所引起的相位差，A為引起相位差的振幅，ωc為載波角頻率，△φn(t)為由于干涉儀的兩干涉臂不絕對相等、溫度變化、反饋信號分別引起的相位差△φq、△φr(t)和△φb(t)的綜合?？杀硎緸椋?BR>

使用PIN探測光強信號，得到電流信號，經(jīng)前置放大電路放大后，輸出電壓可表示為：

式中，kv為PIN和前置放大器所決定的系數(shù)。

對(3)式展開成傅里葉一貝賽爾級數(shù)即為：

通過分析可知，將被測信號作為邊帶信號加載到整數(shù)倍載波頻率的頻帶上，利用中心頻率為ωc的帶通濾波器對該信號進行濾波，得到：

式中，k1為比例系數(shù)。

將(5)式本地振蕩cos(ωct)相乘后，得到：

式中，k2為比例系數(shù)。

從(6)式可以看出有用信號集中在低頻部分，使用低通濾波器進行濾波，得到：

式中，k3為比例系數(shù)。

假設(shè)△φs(t)=φssinωst，其中φs為引起相位變化的幅度，ωs為被測信號的角頻率。根據(jù)對(6)式低頻部分的傅里葉一貝賽爾展開式的分析，使用另一低通濾波器從乘法器的輸出中提取J0(φs)J1(φc)sinφn(t)一項作為積分器的輸入，積分器的輸出作為補償信號反饋給參考臂的相位調(diào)制器，這樣就削弱了溫度漂移對解調(diào)的影響，使其穩(wěn)定在西φn(t)=0的附近。

由于△φs(t)的幅度很小，且φn(t)≈0，則有：

以υ3(t)作為解調(diào)的輸出結(jié)果。根據(jù)光纖的應(yīng)變效應(yīng)和光彈效應(yīng)，引起光纖長度變化的加速度信號與△φs(t)成正比，從而通過分析解調(diào)輸出υ3(t)，可以獲取外界加速度信息。

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計主要包含兩部分：基于PTAC算法的解調(diào)電路設(shè)計；以單片機為核心的智能控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計。

3.1 解調(diào)電路設(shè)計

根據(jù)圖2，解調(diào)電路的設(shè)計主要分為以下幾部分：

(1) 前置放大電路：選用OPA637集成運放(它具有開環(huán)增益高、輸入偏置電流小、失調(diào)電壓低、輸入阻抗大等優(yōu)點)連接成直流并聯(lián)負反饋電流放大電路的形式，把PIN輸出的微安數(shù)量級的電流轉(zhuǎn)換為伏級的電壓。反饋電阻取值為1MΩ
。
(2) 乘法電路：要求乘法電路具有無直流漂移、低誤差、低噪聲的特點。選用AD534作為基本器件，使用AD534的X1作為信號的輸入，Y1作為本地振蕩信號的輸入。X2、Y2、Z2分別作為信號、振蕩信號、輸出的直流偏移調(diào)整，Z1用作反饋信號以起到穩(wěn)定輸出的功能。

(3) 帶通濾波器和低通濾波器1的設(shè)計：使用MAX274及其外圍電路實現(xiàn)帶通濾波器和用于解調(diào)的低通濾波器1的設(shè)計。因為巴特沃思逼近具有最大的平坦幅度，考慮到在通帶內(nèi)不產(chǎn)生附加失真，故選用巴特沃思逼近法設(shè)計濾波器。由于載波頻率設(shè)定為10kHz，所以帶通濾波器的通帶范圍設(shè)置為7.5k～12.5kHz，中心頻率為10kHz。由于地震勘測信號頻帶一般在1kHz之內(nèi)，為保證通頻帶內(nèi)頻譜特性曲線平坦，低通濾波器1的截止頻率設(shè)定為1.5kHz。

(4) 低通濾波器2的設(shè)計：該濾波器的作用是把乘法器輸出信號中的一部分低頻分量濾出作為補償信號。由于這部分低頻分量由兩個干涉臂不等長和溫度變化所引起，是一緩變量，通常該分量的頻率不大于0.1Hz，因此也采用二階巴特沃思逼近法設(shè)計該低通濾波器，其原理圖如圖3所示。

(5) 本地振蕩器的設(shè)計：PTAC解調(diào)算法要求提供一個正弦信號用于解調(diào)，并作為載波信號輸出給參考臂上的相位調(diào)制器，選用ICL8038產(chǎn)生該正弦信號，通過對外圍電阻的調(diào)節(jié)使其輸出頻率為10kHz。

3.2 智能控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

該部分主要分為數(shù)據(jù)采集模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的設(shè)計。使用C8051F020單片機作為該部分設(shè)計的核心。

利用C8051F020單片機的片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該轉(zhuǎn)換器的精度為12bit，轉(zhuǎn)換速度可達100KSps，可以滿足對解調(diào)信號的采樣要求。使用內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換器，不僅降低了設(shè)計的復(fù)雜性，而且減小了噪聲的干擾。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用10Mbps的RTL8019AS芯片作為網(wǎng)絡(luò)接口。為減少RTL8019AS和C8051F020之間的連線，采用地址／數(shù)據(jù)線復(fù)用方式，使用74LS373進行地址鎖存。RTL8019AS與C805／F020的接口電路如圖4所示。

圖中，ALE為74LS373的鎖存允許控制信號，C8051-F020的／RD、／WR引腳直接與RTL8019AS的IORB和IOWB相連，控制RTL8019AS讀寫外部數(shù)據(jù)。將RTL8019AS的相關(guān)寄存器地址映射為C805／F020的存儲地址，通過讀、寫外部存儲地址指令對RTL8019AS的寄存器進行設(shè)置。RTL8019AS工作在查詢方式下，其復(fù)位由C8051F020的P5.2引腳直接控制，從而提高了復(fù)位的可靠性。通過控制RTL8019AS的相關(guān)寄存器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 軟件設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植

本設(shè)計實現(xiàn)了UDP、IP、ARP等協(xié)議在C8051F020單片機上的移植?；?strong>嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的思想，對UDP／IP協(xié)議進行裁剪。根據(jù)所設(shè)計的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，而且網(wǎng)絡(luò)流量不是很大的特點，去除網(wǎng)絡(luò)層有關(guān)路由等協(xié)議，自定制出適合本設(shè)計的精簡UDP／IP協(xié)議棧。基于客戶端／服務(wù)器模式，以監(jiān)控PC機為服務(wù)器，各傳感節(jié)點為客戶端，采用UDP協(xié)議進行通信。根據(jù)UDP／IP協(xié)議的原理，設(shè)計了ETH層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層四個子模塊。當(dāng)需要測試時，監(jiān)控PC機以廣播形式向各傳感節(jié)點發(fā)出采樣命令。傳感節(jié)點接收命令后，啟動采樣，將采樣數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時，將節(jié)點標(biāo)志信息和采樣數(shù)據(jù)封裝成UDP報文，通過RTL8019進行發(fā)送。使用定時器中斷方式對解調(diào)信號進行采樣，避免了由于順序執(zhí)行方式對網(wǎng)絡(luò)通信程序的影響。采樣模塊與通信模塊之間共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過信號量進行通信，提高了程序的執(zhí)行效率。監(jiān)控PC機接收到報文后，根據(jù)節(jié)點標(biāo)志信息對不同傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析、處理。當(dāng)監(jiān)測結(jié)束時，再次以廣播形式向各傳感節(jié)點發(fā)出停止命令，使各節(jié)點停止采樣。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

5 實驗結(jié)果

實驗分為解調(diào)電路測試和網(wǎng)絡(luò)通信測試兩部分。在對解調(diào)電路進行測試的實驗中，采 用虛擬儀器的測試技術(shù)，使得測試過程更加簡單。使用NI公司的Labview軟件和6221數(shù) 據(jù)采集模塊模擬PIN的輸出，作為解調(diào)電路的輸入信號，且使用Labview軟件采集解調(diào)信 號并觀察解調(diào)結(jié)果。為了測試方便，采用正弦信號作為被測信號，并引入0.1Hz的溫度漂移 信號，載波信號頻率為10kHz，所引起的相位變化為π。對被測信號引起的相位變化在0.1～πrad、頻率在10～1000Hz范圍內(nèi)的多組解調(diào)情況進行了測試。圖6為被測信號頻率為100Hz，所引起相位變化為0.1rad時的解調(diào)結(jié)果。從圖6可以看出，解調(diào)信號與被測信號的相位一致性較好，且失真度小。

圖7為該實驗條件下，溫度漂移信號與補償信號的對比圖。從圖中可以看到，補償信號與溫度漂移信號相位相反，從而驗證了補償反饋對溫度漂移的抑止作用。

通過實驗，該解調(diào)電路可以對引起的相位變化在0.1～πrad、頻率在10～1000Hz范圍內(nèi)的被測信號進行解調(diào)。

為進行網(wǎng)絡(luò)通信實驗，設(shè)計了簡單的Labview軟件，用于接收來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行頻譜分析。圖8為Labview軟件對實驗傳感節(jié)點所解調(diào)波形的FFT分析，從而驗證了傳感節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信功能和該分布式處理的可行性。

通過實驗測試，本文所設(shè)計的地震檢波傳感節(jié)點可以實現(xiàn)對10～1000Hz加速度信號的解調(diào)，具有失真度小和抗電磁干擾能力強的特點?？梢苑奖愕剡M行組網(wǎng)，實現(xiàn)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式信息處理。