一種用于地震檢波的傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

隨著(zhù)地震勘測技術(shù)向著(zhù)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(jìn)行深入的研究。同時(shí),在勘測現場(chǎng)要按一定方式放置一組檢波器，將這一組檢波器的數據進(jìn)行綜合分析，從而得出相應的勘測結果。

本文根據地震勘測原理，提出一種構建地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò )的方案：將各節點(diǎn)信息傳輸到監控PC機，采用虛擬儀器技術(shù)，使用Labview編寫(xiě)運行在PC機上的測控軟件，進(jìn)行相應的數據分析和處理；基于全光纖邁克爾遜干涉系統，采用交流相位跟蹤零差檢測技術(shù)(PTAC)，實(shí)現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的影響；采用C8051f020單片機對解調后的信號進(jìn)行采樣，并將相關(guān)數據通過(guò)UDP／IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸。方案實(shí)現了集信號處理和網(wǎng)絡(luò )通信于一體的智能地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。

1 系統概述和工作原理

本文設計的地震勘測傳感器網(wǎng)絡(luò )由分布在測試現場(chǎng)的各傳感節點(diǎn)和監控主節點(diǎn)組成，基于以太網(wǎng)結構構建局域網(wǎng)，實(shí)現基于UDP／IP協(xié)議的數據通信。傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統結構如圖1所示。在進(jìn)行地震勘測時(shí)，各傳感節點(diǎn)對干涉系統輸出的含有地震加速度信息的調制信號進(jìn)行解調，并對解調后的信號進(jìn)行采樣和A／D轉換、存儲，然后根據主節點(diǎn)的命令將解調信息傳輸給主節點(diǎn)進(jìn)行分析，從而實(shí)現分布式的監測與信息處理。

傳感節點(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原理對從光探測器(PIN)輸出的調制信號進(jìn)行解調，并向干涉系統中的相位調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(jìn)行設計，以確保解調的實(shí)時(shí)性。智能控制單元主要由單片機和存儲器構成，實(shí)現對解調信號的數據采集和存儲，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現與監控主機的通信。

2 PTAC解調原理

基于全光纖邁克爾遜干涉系統的PTAC解調系統的原理框圖如圖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。

對(3)式展開(kāi)成傅里葉一貝賽爾級數即為：

通過(guò)分析可知，將被測信號作為邊帶信號加載到整數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(jìn)行濾波，得到：

式中，k1為比例系數。

將(5)式本地振蕩cos(ωct)相乘后，得到：

式中，k2為比例系數。

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(jìn)行濾波，得到：

式中，k3為比例系數。

假設△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。根據對(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制器，這樣就削弱了溫度漂移對解調的影響，使其穩定在西φn(t)=0的附近。

由于△φs(t)的幅度很小，且φn(t)≈0，則有：

以υ3(t)作為解調的輸出結果。根據光纖的應變效應和光彈效應，引起光纖長(cháng)度變化的加速度信號與△φs(t)成正比，從而通過(guò)分析解調輸出υ3(t)，可以獲取外界加速度信息。

3 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計

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

3.1 解調電路設計

根據圖2，解調電路的設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(kāi)環(huán)增益高、輸入偏置電流小、失調電壓低、輸入阻抗大等優(yōu)點(diǎn))連接成直流并聯(lián)負反饋電流放大電路的形式，把PIN輸出的微安數量級的電流轉換為伏級的電壓。反饋電阻取值為1MΩ
。
(2) 乘法電路：要求乘法電路具有無(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、輸出的直流偏移調整，Z1用作反饋信號以起到穩定輸出的功能。

(3) 帶通濾波器和低通濾波器1的設計：使用MAX274及其外圍電路實(shí)現帶通濾波器和用于解調的低通濾波器1的設計。因為巴特沃思逼近具有最大的平坦幅度，考慮到在通帶內不產(chǎn)生附加失真，故選用巴特沃思逼近法設計濾波器。由于載波頻率設定為10kHz，所以帶通濾波器的通帶范圍設置為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，為保證通頻帶內頻譜特性曲線(xiàn)平坦，低通濾波器1的截止頻率設定為1.5kHz。

(4) 低通濾波器2的設計：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(gè)干涉臂不等長(cháng)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計該低通濾波器，其原理圖如圖3所示。

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

3.2 智能控制單元和網(wǎng)絡(luò )接口設計

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

利用C8051F020單片機的片內A／D轉換器將模擬信號轉換為數字信號。該轉換器的精度為12bit，轉換速度可達100KSps，可以滿(mǎn)足對解調信號的采樣要求。使用內部集成的A／D轉換器，不僅降低了設計的復雜性，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／數據線(xiàn)復用方式，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，C8051-F020的／RD、／WR引腳直接與RTL8019AS的IORB和IOWB相連，控制RTL8019AS讀寫(xiě)外部數據。將RTL8019AS的相關(guān)寄存器地址映射為C805／F020的存儲地址，通過(guò)讀、寫(xiě)外部存儲地址指令對RTL8019AS的寄存器進(jìn)行設置。RTL8019AS工作在查詢(xún)方式下，其復位由C8051F020的P5.2引腳直接控制，從而提高了復位的可靠性。通過(guò)控制RTL8019AS的相關(guān)寄存器，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的傳輸。

4 軟件設計與網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的移植

本設計實(shí)現了UDP、IP、ARP等協(xié)議在C8051F020單片機上的移植?；?strong>嵌入式系統設計的思想，對UDP／IP協(xié)議進(jìn)行裁剪。根據所設計的監控網(wǎng)絡(luò )體系結構不是很復雜，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，自定制出適合本設計的精簡(jiǎn)UDP／IP協(xié)議棧?；诳蛻?hù)端／服務(wù)器模式，以監控PC機為服務(wù)器，各傳感節點(diǎn)為客戶(hù)端，采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信。根據UDP／IP協(xié)議的原理，設計了ETH層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層四個(gè)子模塊。當需要測試時(shí)，監控PC機以廣播形式向各傳感節點(diǎn)發(fā)出采樣命令。傳感節點(diǎn)接收命令后，啟動(dòng)采樣，將采樣數據存入緩沖區，當緩沖區滿(mǎn)時(shí)，將節點(diǎn)標志信息和采樣數據封裝成UDP報文，通過(guò)RTL8019進(jìn)行發(fā)送。使用定時(shí)器中斷方式對解調信號進(jìn)行采樣，避免了由于順序執行方式對網(wǎng)絡(luò )通信程序的影響。采樣模塊與通信模塊之間共享數據緩沖區，通過(guò)信號量進(jìn)行通信，提高了程序的執行效率。監控PC機接收到報文后，根據節點(diǎn)標志信息對不同傳感節點(diǎn)的數據進(jìn)行分析、處理。當監測結束時(shí)，再次以廣播形式向各傳感節點(diǎn)發(fā)出停止命令，使各節點(diǎn)停止采樣。系統的主程序流程如圖5所示。

5 實(shí)驗結果

實(shí)驗分為解調電路測試和網(wǎng)絡(luò )通信測試兩部分。在對解調電路進(jìn)行測試的實(shí)驗中，采 用虛擬儀器的測試技術(shù)，使得測試過(guò)程更加簡(jiǎn)單。使用NI公司的Labview軟件和6221數 據采集模塊模擬PIN的輸出，作為解調電路的輸入信號，且使用Labview軟件采集解調信 號并觀(guān)察解調結果。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范圍內的多組解調情況進(jìn)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(shí)的解調結果。從圖6可以看出，解調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(shí)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(guò)實(shí)驗，該解調電路可以對引起的相位變化在0.1～πrad、頻率在10～1000Hz范圍內的被測信號進(jìn)行解調。

為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信實(shí)驗，設計了簡(jiǎn)單的Labview軟件，用于接收來(lái)自傳感節點(diǎn)的數據，并對該數據進(jìn)行頻譜分析。圖8為L(cháng)abview軟件對實(shí)驗傳感節點(diǎn)所解調波形的FFT分析，從而驗證了傳感節點(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)驗測試，本文所設計的地震檢波傳感節點(diǎn)可以實(shí)現對10～1000Hz加速度信號的解調，具有失真度小和抗電磁干擾能力強的特點(diǎn)?？梢苑奖愕剡M(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現基于傳感器網(wǎng)絡(luò )的分布式信息處理。