光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位調(diào)制模塊的嵌入式設(shè)計(jì)*

吳瑞東，王 宇，王 東，譚晉隆，劉 昕，靳寶全*

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024; 2.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，太原030032)

光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)相位調(diào)制模塊的嵌入式設(shè)計(jì)*

吳瑞東1，王 宇1，王 東1，譚晉隆2，劉 昕1，靳寶全1*

(1.太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030024; 2.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，太原030032)

針對(duì)光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定環(huán)節(jié)缺乏便攜式振動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)裝置的問題，設(shè)計(jì)了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統(tǒng)的壓電陶瓷相位調(diào)制模塊。該模塊使用STM32嵌入式微控制器，結(jié)合H橋功率驅(qū)動(dòng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。利用FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)功能部件開發(fā)，并設(shè)計(jì)了STemWin人機(jī)交互界面。隨后搭建分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)嵌入式相位調(diào)制模塊進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該模塊可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、占空比、輸出極性和電壓的調(diào)節(jié)，并可在總長為11.769 km的傳感光纖上對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，且振動(dòng)信號(hào)定位誤差在41 m以內(nèi)，從而可滿足各類光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)在長距離不同位置處進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與標(biāo)定的需求。

光纖傳感;振動(dòng)檢測(cè);嵌入式系統(tǒng);相位調(diào)制

分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)因其成本低、抗電磁干擾、耐腐蝕、系統(tǒng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用［1－4］。在傳感系統(tǒng)調(diào)試期間與振動(dòng)檢測(cè)標(biāo)定階段，需要對(duì)傳感光纖施加類型不同和頻率各異的外界模擬振動(dòng)信號(hào)來測(cè)試傳感系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)能力。

光纖傳感系統(tǒng)中模擬振動(dòng)信號(hào)的傳統(tǒng)產(chǎn)生方法有，采用連桿纏有紙條的電機(jī)來拍打傳感光纖，用于模擬外界規(guī)律性的低頻擾動(dòng)［5］;在鋪有光纖的地表上進(jìn)行形式多樣、頻率混雜的人為外界擾動(dòng)，比如行走、奔跑、敲擊和跳躍等［6］;利用音響的揚(yáng)聲部件在較窄的頻段范圍內(nèi)影響傳感光纖的狀態(tài)［7］。以上方法在振動(dòng)頻率范圍方面都有一定的局限性，而現(xiàn)有的光纖傳感系統(tǒng)多采用具備寬頻率范圍動(dòng)態(tài)輸出的壓電陶瓷(PZT)技術(shù)［8－11］，由信號(hào)發(fā)生器輸出固定頻率的電信號(hào)，利用壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的PZT模塊產(chǎn)生振動(dòng)。PZT模塊通過調(diào)制光纖中傳輸光束光相位的方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)纏繞在壓電陶瓷表面?zhèn)鞲泄饫w的擾動(dòng)激勵(lì)。

然而，在分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)中，需要在較長距離的不同位置處來施加多組擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與標(biāo)定。一般的儀器設(shè)備不便于攜帶且不能夠保證輸出的穩(wěn)定性。因此，本文設(shè)計(jì)了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的PZT相位調(diào)制模塊［12］。采用具有觸摸功能的STemWin人機(jī)交互界面，以控件方式更改輸出信號(hào)的頻率、占空比、輸出極性和驅(qū)動(dòng)電壓，再經(jīng)信號(hào)功率放大后驅(qū)動(dòng)PZT相位調(diào)制模塊產(chǎn)生所需的擾動(dòng)信號(hào)，從而可用于分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)的調(diào)試與標(biāo)定。

1 嵌入式相位調(diào)制模塊的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式相位調(diào)制模塊的硬件系統(tǒng)如圖1所示，主要由嵌入式系統(tǒng)、人機(jī)交互界面和信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。嵌入式系統(tǒng)完成信號(hào)輸出、數(shù)控電源控制、人機(jī)交互界面顯示控制及觸摸響應(yīng)的功能;人機(jī)交互界面顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和觸摸面板信號(hào)轉(zhuǎn)換功能;數(shù)控電源由嵌入式系統(tǒng)控制，輸出不同的電壓值;功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)控制下，完成對(duì)信號(hào)輸出的放大和極性轉(zhuǎn)換。

圖1 嵌入式PZT相位調(diào)制模塊硬件框圖

嵌入式系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司型號(hào)為STM32F407的微控制器，具有1 Mbyte的程序存儲(chǔ)空間和192 kbyte的程序運(yùn)行空間，且配有豐富的外設(shè)接口。內(nèi)核通過片內(nèi)高級(jí)外圍總線 APB (Advanced Peripheral Bus)連接到片內(nèi)外設(shè)定時(shí)器2，配置其中的程序計(jì)數(shù)器和輸出比較寄存器后，程序計(jì)數(shù)器在內(nèi)核時(shí)鐘的作用下開始計(jì)數(shù)，每次計(jì)數(shù)的結(jié)果與比較寄存器比較的結(jié)果作為脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse-Width Modulation)信號(hào)進(jìn)行輸出。同時(shí)選用微控制器的兩個(gè)普通端口DIR0和DIR1來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的極性控制，并且通過通用同步異步收發(fā)器 USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)與數(shù)控電源建立通信，向數(shù)控電源發(fā)送控制指令，完成對(duì)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電壓VCC的調(diào)節(jié)。人機(jī)交互界面采用微控制器內(nèi)部集成的靈活靜態(tài)存儲(chǔ)控制器 FSMC (Flexible Static Memory Controller)總線連接方式向液晶屏發(fā)送控制命令及顯示數(shù)據(jù)。人機(jī)交互界面中的觸摸信號(hào)選用四線制串行外設(shè)接口 SPI(Serial Peripheral Interface)完成與觸摸芯片的通信，獲取液晶屏觸摸位置信息并對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。

圖2為信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖，輸入信號(hào)為極性控制信號(hào)DIR0、DIR1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM，兩個(gè)輸出端口Vout1和Vout2分別與PZT相位控制模塊相連。輸入信號(hào)DIR0、DIR1和PWM經(jīng)邏輯與門后連接至可控制 MOSFET閉合狀態(tài)的雙路半橋驅(qū)動(dòng)器IR2184，4個(gè)MOSFET通過串并聯(lián)方式連接驅(qū)動(dòng)電壓VCC和GND，從而構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)PZT驅(qū)動(dòng)電壓的開關(guān)控制與極性控制。

圖2 信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)框圖

圖3 信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)邏輯轉(zhuǎn)換

圖3為信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)的邏輯轉(zhuǎn)換圖，其中信號(hào)DIR［1:0］為DIR0與DIR1的邏輯組合，信號(hào)Vout為圖2中輸出端口Vout1和Vout2的電壓差。由邏輯轉(zhuǎn)換結(jié)果可知，當(dāng)DIR［1:0］端口為邏輯00和邏輯11時(shí)，Vout不受PWM端口控制且輸出恒為0;當(dāng)DIR［1:0］端口為邏輯01時(shí)，Vout為正向電壓且與驅(qū)動(dòng)電壓VCC相同;同理可得，當(dāng)DIR［1:0］端口為邏輯10時(shí)，Vout為反向電壓且其絕對(duì)值與驅(qū)動(dòng)電壓VCC相同。因此，系統(tǒng)可通過控制DIR0和DIR1端口的輸出電平來實(shí)現(xiàn)輸出電壓Vout的極性變換，并且通過改變PWM端口電平來實(shí)現(xiàn)輸出電壓Vout的通斷控制。

2 嵌入式相位調(diào)制模塊的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式相位調(diào)制模塊的軟件設(shè)計(jì)采用嵌入式FreeRTOS操作系統(tǒng)，其中包含STemWin觸摸控制、STemWin主界面顯示、PWM參數(shù)調(diào)整3個(gè)核心任務(wù)。

圖4為嵌入式相位調(diào)制模塊軟件框圖，軟件總體架構(gòu)基于嵌入式FreeRTOS操作系統(tǒng)，其中由FreeRTOS內(nèi)核完成多任務(wù)調(diào)度。在總體軟件設(shè)計(jì)中，共有3個(gè)核心任務(wù)。其中，STemWin觸摸控制任務(wù)用于讀取液晶屏觸摸位置信息，并將位置發(fā)送至STemWin主界面顯示;STemWin主界面顯示任務(wù)在獲取觸摸位置信息后，完成對(duì)整個(gè)界面的顯示、響應(yīng)與刷新;PWM參數(shù)調(diào)整任務(wù)依據(jù)用戶觸摸輸入的控制參數(shù)來調(diào)整PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、占空比、輸出極性和驅(qū)動(dòng)電壓。

圖4 嵌入式相位調(diào)制模塊軟件框圖

軟件程序流程圖如圖5所示。上電默認(rèn)PWM輸出為低電平，即信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)輸出為零，系統(tǒng)初始化完成后在FreeRTOS內(nèi)核循環(huán)調(diào)度下各個(gè)任務(wù)開始運(yùn)行。在 PWM 輸出過程中，由于選用STM32F407內(nèi)部的TIM2定時(shí)器，其中TIM2內(nèi)部與輸出頻率和占空比相關(guān)的寄存器為:預(yù)分頻器PSC (Prescaler)、自動(dòng)重裝載寄存器ARR(Auto Reload Register)和捕獲比較寄存器CCR(Capture/Compare Register)，若用MPSC、MARR和MCCR分別表示以上寄存器值的大小，則PWM輸出頻率fout可表示為:

式中:Fmain為定時(shí)器計(jì)數(shù)的主時(shí)鐘頻率。

PWM輸出占空比W可表示為:

因此，對(duì)PSC、ARR和CCR寄存器賦予不同數(shù)值，便可實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同占空比的PWM輸出調(diào)節(jié)。

圖5 軟件程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

3.1 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)

為了驗(yàn)證嵌入式相位調(diào)制模塊的輸出特性，實(shí)驗(yàn)室搭建了基于薩格奈克－馬赫澤德干涉原理的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，其光路示意圖如圖6所示。將部分傳感光纖纏繞在PZT管，經(jīng)由相位調(diào)制模塊控制PZT管，模擬外界振動(dòng)作用于傳感光纖，在光彈效應(yīng)下，光束在傳感光纖內(nèi)的光相位將隨振動(dòng)發(fā)生改變，并在干涉作用下轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，因而可經(jīng)光電平衡探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，最終實(shí)現(xiàn)評(píng)估相位調(diào)制模塊工作性能的功能。

圖6 分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)示意圖

分布式光纖振動(dòng)檢測(cè)的原理如下:當(dāng)有振動(dòng)信號(hào)作用于傳感光纖時(shí)，在采集到的原始光強(qiáng)時(shí)域信號(hào)的頻譜中，周期出現(xiàn)的幅值極小值點(diǎn)與振動(dòng)位置存在如下關(guān)系［13］:

式中:fnull為幅值極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值，c為光在真空中的傳播速度，n為光纖的纖芯折射率，L為振動(dòng)位置距光纖末端的長度，k為正整數(shù)，因而(2k－1)一項(xiàng)表明周期性出現(xiàn)的頻率值fnull的大小呈現(xiàn)奇數(shù)倍關(guān)系。

由式(3)可知，可通過尋找頻域上周期性幅值極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值來定位振動(dòng)發(fā)生的位置，振動(dòng)位置的表達(dá)式如下:

因此，分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖外界振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與定位，也可以對(duì)設(shè)計(jì)的嵌入式相位調(diào)制模塊的輸出特性進(jìn)行驗(yàn)證與標(biāo)定。

3.2 相位調(diào)制模塊輸出測(cè)試

嵌入式相位調(diào)制模塊設(shè)計(jì)實(shí)物如圖7所示。其中包含有具備人機(jī)界面的嵌入式系統(tǒng)、數(shù)控電源、信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和表面纏繞有傳感光纖的PZT管。嵌入式系統(tǒng)上電顯示人機(jī)交互界面，界面中的3個(gè)滑塊分別用于調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的輸出占空比、輸出頻率值和輸出電壓幅度，“參數(shù)調(diào)整”按鈕用于更新PWM參數(shù)，“極性反轉(zhuǎn)”按鈕用于反轉(zhuǎn)輸出極性，“輸出控制”按鈕控制PWM的通斷。

現(xiàn)任意選擇占空比為5%，頻率為100 Hz，電壓幅度為12 V，并開啟PWM輸出。利用示波器查看嵌入式系統(tǒng)PWM端口的輸出波形，以及經(jīng)信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)后的波形，結(jié)果如圖8所示。

圖7 PZT相位調(diào)制模塊實(shí)物圖

圖8 PWM輸出波形

由圖8可知，嵌入式系統(tǒng)輸出PWM信號(hào)幅值為3.3 V，脈沖重復(fù)周期為10 ms，與系統(tǒng)設(shè)定的100 Hz輸出頻率相對(duì)應(yīng)，脈沖寬度為0.5 ms，與系統(tǒng)設(shè)定的5%占空比相對(duì)應(yīng)。信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)輸出與PWM信號(hào)相比，幅值由3.3 V放大至12 V，頻率和占空比保持不變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)的放大功能。

3.3 振動(dòng)信號(hào)測(cè)量結(jié)果

將圖7中PZT管表面纏繞的光纖接入至圖6傳感光纖部分，依據(jù)3.2節(jié)內(nèi)容對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行PWM參數(shù)設(shè)置，由數(shù)據(jù)采集卡采集到的時(shí)域信號(hào)如圖9所示。

在圖9中可觀察到兩個(gè)沖擊信號(hào)，其間隔為10 ms，與嵌入式系統(tǒng)所輸出的PWM信號(hào)周期一致。結(jié)果表明，由嵌入式相位調(diào)制模塊驅(qū)動(dòng)的PZT管所產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，能夠改變傳感光纖中的光相位并被分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)檢測(cè)到，進(jìn)而由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的還原。

圖9 振動(dòng)下探測(cè)器輸出波形

本模塊具有更改驅(qū)動(dòng)電壓大小的功能，可方便測(cè)試目標(biāo)光纖傳感系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)感知的靈敏度。設(shè)定圖9中單個(gè)沖擊信號(hào)作用下所探測(cè)到最大值與最小值差為Vpp，更改功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓，得到不同驅(qū)動(dòng)電壓下Vpp變化曲線，如圖10所示。

圖10 不同驅(qū)動(dòng)電壓下Vpp變化曲線

為了驗(yàn)證嵌入式相位調(diào)制模塊功能的完備性，將采集到的時(shí)域信號(hào)變換到頻域，在頻域中求取周期性幅值極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率值，并代入式(4)計(jì)算出振動(dòng)位置。

實(shí)驗(yàn)中所用延遲光纖長度為4.177 km，傳感光纖總長度為11.769 km，在距離光纖末端5.15 km處進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10 m/s。對(duì)采集到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，并放大0～60 kHz區(qū)間內(nèi)的頻譜信息，可得振動(dòng)位置處的頻譜曲線分別如圖11所示。

圖11 振動(dòng)信號(hào)的頻域曲線

由圖11可得，對(duì)應(yīng)于5.15 km處振動(dòng)信號(hào)的頻譜曲線中存在2個(gè)與振動(dòng)位置相關(guān)的幅值極值點(diǎn)(f1和f2)。f1和f2對(duì)應(yīng)頻率值為9.84 kHz和29.72 kHz，其大小近似為3倍關(guān)系，與式(3)結(jié)果近似一致。代入式(4)可得，f1和f2對(duì)應(yīng)的定位結(jié)果分別為5.191 km和5.156 km，相應(yīng)的定位誤差分別為0.041 km和0.006 km。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的PZT相位調(diào)制模塊，可用于分布式光纖傳感系統(tǒng)的振動(dòng)檢測(cè)標(biāo)定與調(diào)試階段。硬件設(shè)計(jì)采用STM32作為嵌入式微控制器，利用四片MOSFET構(gòu)成的H橋功率驅(qū)動(dòng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。軟件設(shè)計(jì)采用FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)建立多任務(wù)功能部件，并利用STemWin設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面以提高模塊易用性。隨后搭建基于薩格奈克－馬赫澤德干涉原理的分布式光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)，對(duì)PZT相位調(diào)制模塊進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明模塊可調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、占空比、輸出極性和電壓，并可對(duì)模擬的沖擊信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在總長為11.769 km的傳感光纖測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)的定位誤差最大為0.041 km，可以滿足各類型光纖振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)測(cè)試與標(biāo)定的需求。

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吳瑞東(1992－)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感器，wuruidong0881@link.tyut.edu.cn;

王 東(1985－)，導(dǎo)師，男，安徽廬江人，博士，講師，主要從事光電信息與儀器工程等方面的研究，wangdongwind @gmail.com;

靳寶全(1972－)，男，通訊作者，山西代縣人，博士，教授，研究方向?yàn)楣饫w傳感器，jbq_007@163.com。

Embedded Design of Phase Modulation Module for Optical Fiber Vibration Sensing System*

WU Ruidong1，WANG Yu1，WANG Dong1，TAN Jinlong2，LIU Xin1，JIN Baoquan1*
(1.Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems，Ministry of Education and Shanxi Province，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi CBM(NG)Gathering and Transportation Co.，Ltd.，Taiyuan 030032，China)

In order to solve the problem of a lack of portable vibration signal driving device for the test and calibration of optical fiber vibration sensing system，a PZT phase modulation module based on FreeRTOS and STemWin embedded system is proposed in this paper.In this module，STM32 is utilized as the embedded microcontroller and the H bridge power driver is designed to amplify the signal.Multi-task functional component is developed in FreeRTOS embedded operating system and the STemWin graphical user interface is designed，a distributed optical fiber vibration sensing system is then constructed to test the embedded phase modulation module.The experimental results show that the frequency adjustment，duty cycle，output polarity and voltage of the driving signal can be realized by the proposed module.Over a total fiber length of 11.769 km，the shock signal is acquired in real time and the positioning error of vibration signal is within the range of 41 m，which can meet the needs of test and calibration for all kinds of optical fiber vibration sensing system at different positions in a long distance.

optical fiber sensing;vibration detection;embedded system;phase modulation

TP211+.6;TP23

A

1004－1699(2017)02－0200－06

C:1290B

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.006

項(xiàng)目來源:山西省回國留學(xué)人員科研項(xiàng)目(2016－035);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375327，51504161);山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MQ2014－09)

2016－08－05 修改日期:2016－09－27