一种用于地震检波的传感器网络节点的设计

(5) 本地振荡器的设计：PTAC解调算法要求提供一个正弦信号用于解调，并作为载波信号输出给参考臂上的相位调制器，选用ICL8038产生该正弦信号，通过对外围电阻的调节使其输出频率为10kHz。

3.2 智能控制单元和网络接口设计

该部分主要分为数据采集模块和网络传输模块的设计。使用C8051F020单片机作为该部分设计的核心。

利用C8051F020单片机的片内A／D转换器将模拟信号转换为数字信号。该转换器的精度为12bit，转换速度可达100KSps，可以满足对解调信号的采样要求。使用内部集成的A／D转换器，不仅降低了设计的复杂性，而且减小了噪声的干扰。

网络传输模块选用10Mbps的RTL8019AS芯片作为网络接口。为减少RTL8019AS和C8051F020之间的连线，采用地址／数据线复用方式，使用74LS373进行地址锁存。RTL8019AS与C805／F020的接口电路如图4所示。

图中，ALE为74LS373的锁存允许控制信号，C8051-F020的／RD、／WR引脚直接与RTL8019AS的IORB和IOWB相连，控制RTL8019AS读写外部数据。将RTL8019AS的相关寄存器地址映射为C805／F020的存储地址，通过读、写外部存储地址指令对RTL8019AS的寄存器进行设置。RTL8019AS工作在查询方式下，其复位由C8051F020的P5.2引脚直接控制，从而提高了复位的可靠性。通过控制RTL8019AS的相关寄存器，实现网络数据的传输。

4 软件设计与网络协议栈的移植

本设计实现了UDP、IP、ARP等协议在C8051F020单片机上的移植。基于嵌入式系统设计的思想，对UDP／IP协议进行裁剪。根据所设计的监控网络体系结构不是很复杂，而且网络流量不是很大的特点，去除网络层有关路由等协议，自定制出适合本设计的精简UDP／IP协议栈。基于客户端／服务器模式，以监控PC机为服务器，各传感节点为客户端，采用UDP协议进行通信。根据UDP／IP协议的原理，设计了ETH层、网络层、传输层和应用层四个子模块。当需要测试时，监控PC机以广播形式向各传感节点发出采样命令。传感节点接收命令后，启动采样，将采样数据存入缓冲区，当缓冲区满时，将节点标志信息和采样数据封装成UDP报文，通过RTL8019进行发送。使用定时器中断方式对解调信号进行采样，避免了由于顺序执行方式对网络通信程序的影响。采样模块与通信模块之间共享数据缓冲区，通过信号量进行通信，提高了程序的执行效率。监控PC机接收到报文后，根据节点标志信息对不同传感节点的数据进行分析、处理。当监测结束时，再次以广播形式向各传感节点发出停止命令，使各节点停止采样。系统的主程序流程如图5所示。

5 实验结果

实验分为解调电路测试和网络通信测试两部分。在对解调电路进行测试的实验中，采 用虚拟仪器的测试技术，使得测试过程更加简单。使用NI公司的Labview软件和6221数 据采集模块模拟PIN的输出，作为解调电路的输入信号，且使用Labview软件采集解调信 号并观察解调结果。为了测试方便，采用正弦信号作为被测信号，并引入0.1Hz的温度漂移 信号，载波信号频率为10kHz，所引起的相位变化为π。对被测信号引起的相位变化在0.1～πrad、频率在10～1000Hz范围内的多组解调情况进行了测试。图6为被测信号频率为100Hz，所引起相位变化为0.1rad时的解调结果。从图6可以看出，解调信号与被测信号的相位一致性较好，且失真度小。

图7为该实验条件下，温度漂移信号与补偿信号的对比图。从图中可以看到，补偿信号与温度漂移信号相位相反，从而验证了补偿反馈对温度漂移的抑止作用。

通过实验，该解调电路可以对引起的相位变化在0.1～πrad、频率在10～1000Hz范围内的被测信号进行解调。

为进行网络通信实验，设计了简单的Labview软件，用于接收来自传感节点的数据，并对该数据进行频谱分析。图8为Labview软件对实验传感节点所解调波形的FFT分析，从而验证了传感节点的网络通信功能和该分布式处理的可行性。

通过实验测试，本文所设计的地震检波传感节点可以实现对10～1000Hz加速度信号的解调，具有失真度小和抗电磁干扰能力强的特点。可以方便地进行组网，实现基于传感器网络的分布式信息处理。