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

隨著地震勘測(cè)技術(shù)向著精細(xì)測(cè)量方向發(fā)展,有必要對(duì)頻帶寬、靈敏度高、失真度小的地震檢波技術(shù)進(jìn)行深入的研究。同時(shí),在勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行綜合分析，從而得出相應(yīng)的勘測(cè)結(jié)果。

本文根據(jù)地震勘測(cè)原理，提出一種構(gòu)建地震勘測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案：將各節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控PC機(jī)，采用虛擬儀器技術(shù)，使用Labview編寫(xiě)運(yùn)行在PC機(jī)上的測(cè)控軟件，進(jìn)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(cè)技術(shù)(PTAC)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的精確檢測(cè)和誤差信號(hào)的補(bǔ)償，減小信號(hào)漂移對(duì)系統(tǒng)的影響；采用C8051f020單片機(jī)對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行采樣，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)UDP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。方案實(shí)現(xiàn)了集信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)通信于一體的智能地震勘測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)概述和工作原理

本文設(shè)計(jì)的地震勘測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的各傳感節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控主節(jié)點(diǎn)組成，基于以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建局域網(wǎng)，實(shí)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(jìn)行地震勘測(cè)時(shí)，各傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)干涉系統(tǒng)輸出的含有地震加速度信息的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行采樣和A／D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，然后根據(jù)主節(jié)點(diǎn)的命令將解調(diào)信息傳輸給主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)分布式的監(jiān)測(cè)與信息處理。

傳感節(jié)點(diǎn)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(duì)從光探測(cè)器(PIN)輸出的調(diào)制信號(hào)進(jìn)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(hào)和補(bǔ)償信號(hào)，該部分采用模擬電路的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保解調(diào)的實(shí)時(shí)性。智能控制單元主要由單片機(jī)和存儲(chǔ)器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)解調(diào)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)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(hào)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(qiáng)為：

式中，I(t)為干涉儀的輸出光強(qiáng)，Io為干涉儀的輸入光強(qiáng)，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(hào)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(duì)相等、溫度變化、反饋信號(hào)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(cè)光強(qiáng)信號(hào)，得到電流信號(hào)，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(duì)(3)式展開(kāi)成傅里葉一貝賽爾級(jí)數(shù)即為：

通過(guò)分析可知，將被測(cè)信號(hào)作為邊帶信號(hào)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(duì)該信號(hào)進(jìn)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(hào)集中在低頻部分，使用低通濾波器進(jìn)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(cè)信號(hào)的角頻率。根據(jù)對(duì)(6)式低頻部分的傅里葉一貝賽爾展開(kāi)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(xiàng)作為積分器的輸入，積分器的輸出作為補(bǔ)償信號(hào)反饋給參考臂的相位調(diào)制器，這樣就削弱了溫度漂移對(duì)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(zhǎng)度變化的加速度信號(hào)與△φs(t)成正比，從而通過(guò)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

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

3.1 解調(diào)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2，解調(diào)電路的設(shè)計(jì)主要分為以下幾部分：

(1) 前置放大電路：選用OPA637集成運(yùn)放(它具有開(kāi)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(diǎn))連接成直流并聯(lián)負(fù)反饋電流放大電路的形式，把PIN輸出的微安數(shù)量級(jí)的電流轉(zhuǎn)換為伏級(jí)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(wú)直流漂移、低誤差、低噪聲的特點(diǎn)。選用AD534作為基本器件，使用AD534的X1作為信號(hào)的輸入，Y1作為本地振蕩信號(hào)的輸入。X2、Y2、Z2分別作為信號(hào)、振蕩信號(hào)、輸出的直流偏移調(diào)整，Z1用作反饋信號(hào)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(jì)：使用MAX274及其外圍電路實(shí)現(xiàn)帶通濾波器和用于解調(diào)的低通濾波器1的設(shè)計(jì)。因?yàn)榘吞匚炙急平哂凶畲蟮钠教狗龋紤]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(jì)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(cè)信號(hào)頻帶一般在1kHz之內(nèi)，為保證通頻帶內(nèi)頻譜特性曲線(xiàn)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(jì)：該濾波器的作用是把乘法器輸出信號(hào)中的一部分低頻分量濾出作為補(bǔ)償信號(hào)。由于這部分低頻分量由兩個(gè)干涉臂不等長(zhǎng)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(jì)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(jì)：PTAC解調(diào)算法要求提供一個(gè)正弦信號(hào)用于解調(diào)，并作為載波信號(hào)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(hào)，通過(guò)對(duì)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(jì)

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(jì)。使用C8051F020單片機(jī)作為該部分設(shè)計(jì)的核心。

利用C8051F020單片機(jī)的片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該轉(zhuǎn)換器的精度為12bit，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)100KSps，可以滿(mǎn)足對(duì)解調(diào)信號(hào)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(jì)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(xiàn)，采用地址／數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用方式，使用74LS373進(jìn)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(hào)，C8051-F020的／RD、／WR引腳直接與RTL8019AS的IORB和IOWB相連，控制RTL8019AS讀寫(xiě)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(chǔ)地址，通過(guò)讀、寫(xiě)外部存儲(chǔ)地址指令對(duì)RTL8019AS的寄存器進(jìn)行設(shè)置。RTL8019AS工作在查詢(xún)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(guò)控制RTL8019AS的相關(guān)寄存器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 軟件設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了UDP、IP、ARP等協(xié)議在C8051F020單片機(jī)上的移植?；?strong>嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想，對(duì)UDP／IP協(xié)議進(jìn)行裁剪。根據(jù)所設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jì)的精簡(jiǎn)UDP／IP協(xié)議棧?；诳蛻?hù)端／服務(wù)器模式，以監(jiān)控PC機(jī)為服務(wù)器，各傳感節(jié)點(diǎn)為客戶(hù)端，采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。根據(jù)UDP／IP協(xié)議的原理，設(shè)計(jì)了ETH層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層四個(gè)子模塊。當(dāng)需要測(cè)試時(shí)，監(jiān)控PC機(jī)以廣播形式向各傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出采樣命令。傳感節(jié)點(diǎn)接收命令后，啟動(dòng)采樣，將采樣數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿(mǎn)時(shí)，將節(jié)點(diǎn)標(biāo)志信息和采樣數(shù)據(jù)封裝成UDP報(bào)文，通過(guò)RTL8019進(jìn)行發(fā)送。使用定時(shí)器中斷方式對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣，避免了由于順序執(zhí)行方式對(duì)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(guò)信號(hào)量進(jìn)行通信，提高了程序的執(zhí)行效率。監(jiān)控PC機(jī)接收到報(bào)文后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)志信息對(duì)不同傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)，再次以廣播形式向各傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出停止命令，使各節(jié)點(diǎn)停止采樣。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分為解調(diào)電路測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試兩部分。在對(duì)解調(diào)電路進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)中，采 用虛擬儀器的測(cè)試技術(shù)，使得測(cè)試過(guò)程更加簡(jiǎn)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(hào)，且使用Labview軟件采集解調(diào)信 號(hào)并觀(guān)察解調(diào)結(jié)果。為了測(cè)試方便，采用正弦信號(hào)作為被測(cè)信號(hào)，并引入0.1Hz的溫度漂移 信號(hào)，載波信號(hào)頻率為10kHz，所引起的相位變化為π。對(duì)被測(cè)信號(hào)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(jìn)行了測(cè)試。圖6為被測(cè)信號(hào)頻率為100Hz，所引起相位變化為0.1rad時(shí)的解調(diào)結(jié)果。從圖6可以看出，解調(diào)信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位一致性較好，且失真度小。

圖7為該實(shí)驗(yàn)條件下，溫度漂移信號(hào)與補(bǔ)償信號(hào)的對(duì)比圖。從圖中可以看到，補(bǔ)償信號(hào)與溫度漂移信號(hào)相位相反，從而驗(yàn)證了補(bǔ)償反饋對(duì)溫度漂移的抑止作用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該解調(diào)電路可以對(duì)引起的相位變化在0.1～πrad、頻率在10～1000Hz范圍內(nèi)的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。

為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的Labview軟件，用于接收來(lái)自傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。圖8為L(zhǎng)abview軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)傳感節(jié)點(diǎn)所解調(diào)波形的FFT分析，從而驗(yàn)證了傳感節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信功能和該分布式處理的可行性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的地震檢波傳感節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)10～1000Hz加速度信號(hào)的解調(diào)，具有失真度小和抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。可以方便地進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式信息處理。