光纖振動傳感系統相位調制模塊的嵌入式設計*

吳瑞東，王 宇，王 東，譚晉隆，劉 昕，靳寶全*

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原030024; 2.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，太原030032)

光纖振動傳感系統相位調制模塊的嵌入式設計*

吳瑞東1，王 宇1，王 東1，譚晉隆2，劉 昕1，靳寶全1*

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原030024; 2.山西煤層氣(天然氣)集輸有限公司，太原030032)

針對光纖振動傳感系統測試與標定環節缺乏便攜式振動信號驅動裝置的問題，設計了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統的壓電陶瓷相位調制模塊。該模塊使用STM32嵌入式微控制器，結合H橋功率驅動對信號進行功率放大。利用FreeRTOS嵌入式操作系統進行多任務功能部件開發，并設計了STemWin人機交互界面。隨后搭建分布式光纖振動傳感系統對嵌入式相位調制模塊進行測試，結果表明該模塊可實現驅動信號頻率、占空比、輸出極性和電壓的調節，并可在總長為11.769 km的傳感光纖上對沖擊信號進行實時采集，且振動信號定位誤差在41 m以內，從而可滿足各類光纖振動傳感系統在長距離不同位置處進行振動測試與標定的需求。

光纖傳感;振動檢測;嵌入式系統;相位調制

分布式光纖振動傳感系統因其成本低、抗電磁干擾、耐腐蝕、系統靈敏度高等優點，在實際中得到了廣泛應用［1－4］。在傳感系統調試期間與振動檢測標定階段，需要對傳感光纖施加類型不同和頻率各異的外界模擬振動信號來測試傳感系統對振動信號的響應能力。

光纖傳感系統中模擬振動信號的傳統產生方法有，采用連桿纏有紙條的電機來拍打傳感光纖，用于模擬外界規律性的低頻擾動［5］;在鋪有光纖的地表上進行形式多樣、頻率混雜的人為外界擾動，比如行走、奔跑、敲擊和跳躍等［6］;利用音響的揚聲部件在較窄的頻段范圍內影響傳感光纖的狀態［7］。以上方法在振動頻率范圍方面都有一定的局限性，而現有的光纖傳感系統多采用具備寬頻率范圍動態輸出的壓電陶瓷(PZT)技術［8－11］，由信號發生器輸出固定頻率的電信號，利用壓電效應驅動相應的PZT模塊產生振動。PZT模塊通過調制光纖中傳輸光束光相位的方法，來實現對纏繞在壓電陶瓷表面傳感光纖的擾動激勵。

然而，在分布式光纖振動傳感系統中，需要在較長距離的不同位置處來施加多組擾動信號進行系統測試與標定。一般的儀器設備不便于攜帶且不能夠保證輸出的穩定性。因此，本文設計了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統開發技術的PZT相位調制模塊［12］。采用具有觸摸功能的STemWin人機交互界面，以控件方式更改輸出信號的頻率、占空比、輸出極性和驅動電壓，再經信號功率放大后驅動PZT相位調制模塊產生所需的擾動信號，從而可用于分布式光纖振動傳感系統的調試與標定。

1 嵌入式相位調制模塊的硬件設計

嵌入式相位調制模塊的硬件系統如圖1所示，主要由嵌入式系統、人機交互界面和信號功率驅動系統三部分組成。嵌入式系統完成信號輸出、數控電源控制、人機交互界面顯示控制及觸摸響應的功能;人機交互界面顯示當前工作狀態和觸摸面板信號轉換功能;數控電源由嵌入式系統控制，輸出不同的電壓值;功率驅動系統在嵌入式系統控制下，完成對信號輸出的放大和極性轉換。

圖1 嵌入式PZT相位調制模塊硬件框圖

嵌入式系統采用意法半導體公司型號為STM32F407的微控制器，具有1 Mbyte的程序存儲空間和192 kbyte的程序運行空間，且配有豐富的外設接口。內核通過片內高級外圍總線 APB (Advanced Peripheral Bus)連接到片內外設定時器2，配置其中的程序計數器和輸出比較寄存器后，程序計數器在內核時鐘的作用下開始計數，每次計數的結果與比較寄存器比較的結果作為脈沖寬度調制PWM(Pulse-Width Modulation)信號進行輸出。同時選用微控制器的兩個普通端口DIR0和DIR1來實現對功率驅動系統的極性控制，并且通過通用同步異步收發器 USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)與數控電源建立通信，向數控電源發送控制指令，完成對功率驅動系統中驅動電壓VCC的調節。人機交互界面采用微控制器內部集成的靈活靜態存儲控制器 FSMC (Flexible Static Memory Controller)總線連接方式向液晶屏發送控制命令及顯示數據。人機交互界面中的觸摸信號選用四線制串行外設接口 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其進行響應。

圖2為信號功率驅動系統框圖，輸入信號為極性控制信號DIR0、DIR1和驅動信號PWM，兩個輸出端口Vout1和Vout2分別與PZT相位控制模塊相連。輸入信號DIR0、DIR1和PWM經邏輯與門后連接至可控制 MOSFET閉合狀態的雙路半橋驅動器IR2184，4個MOSFET通過串并聯方式連接驅動電壓VCC和GND，從而構成H橋驅動電路，實現PZT驅動電壓的開關控制與極性控制。

圖2 信號功率驅動框圖

圖3 信號功率驅動邏輯轉換

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

2 嵌入式相位調制模塊的軟件設計

嵌入式相位調制模塊的軟件設計采用嵌入式FreeRTOS操作系統，其中包含STemWin觸摸控制、STemWin主界面顯示、PWM參數調整3個核心任務。

圖4為嵌入式相位調制模塊軟件框圖，軟件總體架構基于嵌入式FreeRTOS操作系統，其中由FreeRTOS內核完成多任務調度。在總體軟件設計中，共有3個核心任務。其中，STemWin觸摸控制任務用于讀取液晶屏觸摸位置信息，并將位置發送至STemWin主界面顯示;STemWin主界面顯示任務在獲取觸摸位置信息后，完成對整個界面的顯示、響應與刷新;PWM參數調整任務依據用戶觸摸輸入的控制參數來調整PWM驅動信號的頻率、占空比、輸出極性和驅動電壓。

圖4 嵌入式相位調制模塊軟件框圖

軟件程序流程圖如圖5所示。上電默認PWM輸出為低電平，即信號功率驅動輸出為零，系統初始化完成后在FreeRTOS內核循環調度下各個任務開始運行。在 PWM 輸出過程中，由于選用STM32F407內部的TIM2定時器，其中TIM2內部與輸出頻率和占空比相關的寄存器為:預分頻器PSC (Prescaler)、自動重裝載寄存器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為定時器計數的主時鐘頻率。

PWM輸出占空比W可表示為:

因此，對PSC、ARR和CCR寄存器賦予不同數值，便可實現不同頻率、不同占空比的PWM輸出調節。

圖5 軟件程序流程圖

3 系統測試結果

3.1 分布式光纖振動傳感系統

為了驗證嵌入式相位調制模塊的輸出特性，實驗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傳感系統，其光路示意圖如圖6所示。將部分傳感光纖纏繞在PZT管，經由相位調制模塊控制PZT管，模擬外界振動作用于傳感光纖，在光彈效應下，光束在傳感光纖內的光相位將隨振動發生改變，并在干涉作用下轉換為光強變化，因而可經光電平衡探測器將光信號轉換為電信號，由數據采集卡完成振動數據的實時采集，最終實現評估相位調制模塊工作性能的功能。

圖6 分布式光纖振動傳感系統示意圖

分布式光纖振動檢測的原理如下:當有振動信號作用于傳感光纖時，在采集到的原始光強時域信號的頻譜中，周期出現的幅值極小值點與振動位置存在如下關系［13］:

式中:fnull為幅值極小值點對應的頻率值，c為光在真空中的傳播速度，n為光纖的纖芯折射率，L為振動位置距光纖末端的長度，k為正整數，因而(2k－1)一項表明周期性出現的頻率值fnull的大小呈現奇數倍關系。

由式(3)可知，可通過尋找頻域上周期性幅值極小值點對應的頻率值來定位振動發生的位置，振動位置的表達式如下:

因此，分布式光纖振動傳感系統可以實現對光纖外界振動信號的實時檢測與定位，也可以對設計的嵌入式相位調制模塊的輸出特性進行驗證與標定。

3.2 相位調制模塊輸出測試

嵌入式相位調制模塊設計實物如圖7所示。其中包含有具備人機界面的嵌入式系統、數控電源、信號功率驅動系統和表面纏繞有傳感光纖的PZT管。嵌入式系統上電顯示人機交互界面，界面中的3個滑塊分別用于調節PWM信號的輸出占空比、輸出頻率值和輸出電壓幅度，“參數調整”按鈕用于更新PWM參數，“極性反轉”按鈕用于反轉輸出極性，“輸出控制”按鈕控制PWM的通斷。

現任意選擇占空比為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PWM端口的輸出波形，以及經信號功率驅動后的波形，結果如圖8所示。

圖7 PZT相位調制模塊實物圖

圖8 PWM輸出波形

由圖8可知，嵌入式系統輸出PWM信號幅值為3.3 V，脈沖重復周期為10 ms，與系統設定的100 Hz輸出頻率相對應，脈沖寬度為0.5 ms，與系統設定的5%占空比相對應。信號功率驅動輸出與PWM信號相比，幅值由3.3 V放大至12 V，頻率和占空比保持不變，從而實現對PWM信號的放大功能。

3.3 振動信號測量結果

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3.2節內容對嵌入式系統進行PWM參數設置，由數據采集卡采集到的時域信號如圖9所示。

在圖9中可觀察到兩個沖擊信號，其間隔為10 ms，與嵌入式系統所輸出的PWM信號周期一致。結果表明，由嵌入式相位調制模塊驅動的PZT管所產生的振動激勵信號，能夠改變傳感光纖中的光相位并被分布式光纖振動傳感系統檢測到，進而由數據采集系統實現對振動信號的還原。

圖9 振動下探測器輸出波形

本模塊具有更改驅動電壓大小的功能，可方便測試目標光纖傳感系統對振動感知的靈敏度。設定圖9中單個沖擊信號作用下所探測到最大值與最小值差為Vpp，更改功率驅動系統的驅動電壓，得到不同驅動電壓下Vpp變化曲線，如圖10所示。

圖10 不同驅動電壓下Vpp變化曲線

為了驗證嵌入式相位調制模塊功能的完備性，將采集到的時域信號變換到頻域，在頻域中求取周期性幅值極值點所對應的頻率值，并代入式(4)計算出振動位置。

實驗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處進行測試，數據采集卡的采樣頻率為10 m/s。對采集到的時域信號進行快速傅里葉變換，并放大0～60 kHz區間內的頻譜信息，可得振動位置處的頻譜曲線分別如圖11所示。

圖11 振動信號的頻域曲線

由圖11可得，對應于5.15 km處振動信號的頻譜曲線中存在2個與振動位置相關的幅值極值點(f1和f2)。f1和f2對應頻率值為9.84 kHz和29.72 kHz，其大小近似為3倍關系，與式(3)結果近似一致。代入式(4)可得，f1和f2對應的定位結果分別為5.191 km和5.156 km，相應的定位誤差分別為0.041 km和0.006 km。

4 結論

本文設計了一款基于FreeRTOS和STemWin嵌入式系統開發技術的PZT相位調制模塊，可用于分布式光纖傳感系統的振動檢測標定與調試階段。硬件設計采用STM32作為嵌入式微控制器，利用四片MOSFET構成的H橋功率驅動對信號進行功率放大。軟件設計采用FreeRTOS嵌入式操作系統建立多任務功能部件，并利用STemWin設計人機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傳感系統，對PZT相位調制模塊進行振動檢測實驗，結果表明模塊可調整驅動信號的頻率、占空比、輸出極性和電壓，并可對模擬的沖擊信號進行實時采集。在總長為11.769 km的傳感光纖測試實驗中，振動的定位誤差最大為0.041 km，可以滿足各類型光纖振動傳感系統對振動測試與標定的需求。

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吳瑞東(1992－)，男，河南許昌人，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感器，wuruidong0881@link.tyut.edu.cn;

王 東(1985－)，導師，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，研究方向為光纖傳感器，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

項目來源:山西省回國留學人員科研項目(2016－035);國家自然科學基金項目(51375327，51504161);山西省煤基重點科技攻關項目(MQ2014－09)

2016－08－05 修改日期:2016－09－27