（计算机软件与理论专业论文）基于通信技术的土木工程健康状态信息远程监测系统研究.pdf

摘要 目前，我国在土木工程健康状态监测领域存在着测量方法单一，数据采集困难，数 据处理低效等问题。因此，论文对土木工程健康状态监测技术进行了研究。 论文以国内某特长隧道的通风竖井为对象，在对土木工程健康状态监测需求进行分 析和研究的基础上，采用了理论、试验与工程验证相结合的方法，设计并实现了一套基 于先进通信技术的土木工程健康状态信息远程监测系统。 首先设计了以c p l d 、嵌入式系统为核心电路的前端测频系统，实现了多个传感器 自动接入测量的功能。其次，根据工程实际情况，选取无线通信与有线通信相结合，专 网与公网相结合的数据传输方案。用无线数传模块完成竖并顶部测量点数据到底部的传 输，采用4 8 5 总线完成竖井底部测量点及顶部数据到主隧道接力点的数据传输，利用 g s m 公网实现了主隧道接力点到办公室的数据传输，从而达到了土木工程健康状态信 息数据远程监测的目的。 最后用c 语言设计了前端采集和专网通信程序，采用v i s u a lc + + 6 0 和数据库a c c e s s 2 0 0 3 设计了后台数据监测管理系统。 通过实际工程的试用，表明所设计的系统运行稳定，数据采集正确，达到了预期要 求，具有很高的工程实用价值。论文的研究成果已获得国家实用新型专利。 关键词：计算机应用；木工程；远程监测；通信技术 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，u n i f o r m i t yo fm e a s u r i n gm e t h o d s ，d i f f i c u l t yi nd a t aa c q u i s i t i o n ，i n e f f i c i e n c y o fd a t ap r o c e s s i n ga n ds o m eo t h e rp r o b l e m se x i s ti nt h eh e a l t hs t a t u sm o n i t o r i n gf i e l do f d o m e s t i cc i v i le n g i n e e r i n g ，t h u sh e a l t hs t a t u sm o n i t o r i n gt e c h n i q u e so fc i v i le n g i n e e r i n g p r o j e c t sa r es t u d i e di nt h i sp 印e r w i t hs o m ed o m e s t i cu l t r a - l o n gt u n n e lv e n t i l a t i o ns h a f ta st h es t u d yo b j e c t ，a i la d v a n c e d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y - b a s e dr e m o t eh e a l t hs t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e mo fc i v i le n g i n e e r i n g p r o j e c t si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nt h eb a s i so ft h er e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f c i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t sh e a l t hs t a t u sm o n i t o r i n ga n dt h ea p p l i c a t i o no fa na p p r o a c hw i mt h e c o m b i n a t i o no ft h e o r i e s ，t e s t sa n de n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o n s f i r s t ，af r o n te n df r e q u e n c ym e a s u r i n gs y s t e mw i t ha c p l da n da ne m b e d d e ds y s t e ma s t h ec o r ec i r c u i ti sd e s i g n e dt or e a l i z et h ea u t o m a t e dc o n n e c t i o na n dm e a s u r e m e n to fm u l t i p l e s e n s o r s s e c o n d ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a lp r o j e c tc o n d i t i o n ，ad a t at r a n s m i s s i o ns c h e m ew i t ht h e i n t e g r a t i o no fw i r e l e s sa n dw i r e dc o m m u n i c a t i o n sa sw e l la st h ec o m b i n a t i o no fap r i v a t e n e t w o r ka n da p u b l i cn e t w o r ki ss e l e c t e d d a t at r a n s m i s s i o nf r o mm e a s u r i n gn o d e so n t h et o p o ft h es h a f tt ot h eb o t t o mi sc o m p l e t e db yw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e s ，d a t a t r a n s m i s s i o nf r o mm e a s u r i n gn o d e sa tt h eb o t t o mo ft h es h a rt or e l a yn o d e si nt h em a i n t u n n e li sc o m p l e t e dt h r o u g har s 4 8 5b u s ，a n dd a t at r a n s m i s s i o nf r o mr e l a yn o d e si nt h em a i n t u n n e lt ot h eo f f i c ei sc o m p l e t e dt h r o u g ht h eg s mn e t w o r k ，t h u st h er e m o t eh e a l t hs t a t u s m o n i t o r i n go fc i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t si sa c h i e v e d f i n a l l y , ap r o g r a mf o rt h ef r o n te n da c q u i s i t i o na n dt h ep r i v a t en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i sd e s i g n e di ncl a n g n a g e ，a n da b a c k g r o u n dd a t am o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d w i t hv i s u a lc + + 6 0a n da c c e s s2 0 0 3 t e s tr e s u l t si np r a c t i c a lp r o j e c t sr e v e a lt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h ec o r r e c t n e s so fd a t a a c q u i s i t i o na n dt h es a t i s f a c t i o no fe x p e c t e dr e q u i r e m e n t ，s h o w i n gg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u eo f t h i ss y s t e m an a t i o n a lu t i l i t ym o d e lp a t e n tf o rt h i sr e s e a r c hh a sb e e na p p r o v e d k e y w o r d s ：c o m p u t e ra p p ii c a t i o n ：c i v iie n g i n e e r i n g ；r e m o t em o n i t o r i n g ；c o m m u n i c a t i o n t e c h n o i o g y l l 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在桥梁、道路、隧道、竖井等大型交通工程项目建设中，由于建筑物的实际受力和 变形的影响，与设计阶段按照力学模型所预测的结果总会有偏差，这就导致无法确认所 设计的支护结构与旋工流程的安全性和经济性，因此需要对土木工程在施工和运营阶段 进行全程监控量测，及时收集施工和运营期间由于受力和变形所引起的位移与应力等动 态信息，为施工和运营及时提供指导依据。与普通工程测试相比，对隧道、竖井工程的 监控量测意义更加重要。正如奥地利的l m t i l l e r 教授所说：“对岩土结构，特别是对 隧道形态进行的量测，已被证明其重要性犹如钢结构和混凝土结构所进行的静力计算一 样【l 】o 监控围岩与结构稳定性是施工过程和运营管理中极为关键的重要环节。通过分析跟 踪量测所收集到的数据，能够为工程在不同地质条件下的开挖、支护以及运营维护提供 科学的依据【2 1 。 1 2 问题的提出 数据采集困难。在大型土木工程建设中，诸如：道路、桥梁、隧道等，传统方法为 埋设各种传感器后，技术人员现场通过对传感器进行逐个采集数据。这种数据采集方式 不但成本高、效率低，且时效性差。特别是随着西部大开发的进行，兴建众多的重点大 型工程，这些工程的建设过程中，重要问题之一就是施工监控量测。如果采用传统量测 方法，严重影响大型工程的进度与运营维护管理工作。并且，其中一些工程所处的环境 及其恶劣，如高海拔、严寒、瓦斯、岩爆等等，给现场监控量测工作带来了很大困难。 例如，雀儿山隧道位于海拔4 千多米的川藏公路上，空气稀薄、含氧量低，每次量测都 要背负氧气在现场步行数公里，耗时几小时才能完成【3 】。针对上述情况，其监控量测工 作的困难程度简直难以想象。另外，对于重点工程我们需要进行长期监控量测，有时需 要持续两、三年以上，这样传统的量测方法显然很难实现。 数据处理低效。监控量测数据分析与处理软件匮乏和低效，数据处理方式长期得不 到改善，诸如当前对仪器的开发、量测数据的采集较为重视，但却忽视了量测数据的处 理与反馈。一个工程项目的量测的各种相应数据多达上万个，如果仅依靠人工处理分析、 或半人工方式处理工作量大，往往导致监控鼍测反馈数据不能实时提供，很难发挥其指 导作月j 。因此，在监控量测数据的处理和分析方面应该进行新的探索，开发实用、高效 第一章绪论 的隧道围岩及支护结构量测数据处理软件是当务之急。 数据传输方式需要改进。以无线网技术成熟的现实状况为基础，改进目前的有线方 式采集也是需要革新的地方。无线方式大大方便了信息的采集方式、缩短监控设备布设 周期，对工程与工程运营管理都节省了资金与时间等【4 ，5 1 。 1 3 研究的内容及意义 基于以上监控量测实施过程中存在的问题，结合土木工程中测量任务的特点，开发 一种具有自主知识产权的土木工程质量远程监测系统，对隧道施工和运营阶段进行实 时、长期的监控量测。 这套系统可以实现从几公里到几百公里的远程监控量测，并能够以定点、移动两种 方式进行工作。同时系统可完成对数百个检测点的监控量测，可利用公网或专网完成有 线或无线的数据传输和控制，并且提供了数据库的数据处理功能。 研究主要包括以下内容： 设计在无人值守情况下，能够实现多个传感器自动接入前端测量设备，构建前 端测频物理系统。 根据工程实际情况，设计通讯方案。然后，实现全部系统软件。其中，上位机 系统中软件支持了将数据存放到数据库以实现后期的查询、处理等操作。 系统应用到工程实践当中，进行工程检验。 相关技术的研究和开发具有较好的应用需求和市场前景。远程监控系统的应用将带 来以下几方面的好处： ( 1 ) 减少工程费用 有些监控量测工作并不需要即时数据，随着结构的稳定，量测次数可减少，而采用 传统量测方法，技术人员必须长期留守，造成了人力资源的浪费。同时，由于监控量测 技术的专业性很强，技术人员必须在多个施工现场间来回奔波。通过远程监测，使原来 需要量测人员到达不同现场的量测工作，可在一个地点远程操作获取数据。 ( 2 ) 保障量测技术人员的安全 由于野外工程环境恶劣，测量环境受限制，测量工作人员很难到达各个工程测试点， 使得测量人员安全不能保障。此外在工程初期测量频数较高，测量人员安全更为突出。 此系统则降低了测量人员的以上安全问题。 ( 3 ) 实时数据获取成为可能 在大型土木工程建设中，技术参数获取需要在不同地点，同时进行测量。目前，山 2 长安大学硕士学位论文 若干测量技术人员分头在不同地点，同一时间进行，但出于种种原因，执行时间会出现 偏差，约定的时间不会完全一致，量测数据的同步性就难以保证。本系统解决了数据采 集时效统一问题，从而测量数据的同步性就得到保证。 ( 4 ) 保证土木工程的施工质量和安全 由于数据获取的实时性对工程初期施工的管理、工程进度及工程运营管理提供了有 力保障。有了远程测控系统以后，使土木工程监测的次数和质量得到保证，从而解决了 上述问题。 本文以国内某隧道的竖井工程为依托，开展竖井施工运营监控量测技术的研究，在 学术理论和工程应用上都具有重要的意义。 1 4 研究的技术路线 研究的主要技术路线如图1 1 所示。 图1 1 远程监测系统框图 下面各章将逐一介绍这个系统的工作原理。 3 第二章总体设计 第二章总体设计 2 1 系统整体框架 整个系统由三部分构成，下位机部分，中间通信系统，后台上位机部分。其中下位 机部分是由嵌入式系统构成，主要是完成数据的采集。中间通信系统是连接上位机与下 位机的通道，保证数据的远程通信。上位机部分实现数据采集的启动以及数据的收集、 分析与处理。其整体结构示意图如图2 1 所示。其中上位机也可以由手机简单实现启动 数据的采集与数据的收集两个功能。 图2 1 系统总体构架框图 2 1 1 下位机结构设计 下位机主要完成无人值守情况下多个传感器数据的采集，而要采集的数据就是传感 器的频率。因此这部分要有测频电路，就是图2 1 中下位机部分当中的测量设备，以下 章节称之为测频模块。还要有传感器和分线器，传感器是量测的工具，分线器的作用就 是实现多个传感器的自动接入测频电路的功能，实现多个传感器的测量自动化。 2 1 2 通信系统设计 通信系统的设计是要结合具体工程情况设定方案。本文所依托的工程实际情况是这 样的，需要测量的数据点在竖井中，竖井是保障隧道运营安全的重要组成部分，竖井底 部与隧道通过风道相连接。竖井当中的测量数据点分别分布在竖井的上下两端，而竖井 深达6 0 0 多米，架线相对比较困难。而竖井顶部在崇山峻岭当中，没有任何通信信号， 因此只能通过竖井底部，经过风道，与隧道建立通信，而隧道内有g s m 信号。其后的 通信可以由g s m 网完成。因此，通信方案为无线+ 有线，自行搭建专网+ 借助g s m 公 4 长安大学硕上学位论文 网构成。其中要设计连接专网与g s m 公网的中间节点机。 2 1 3 上位机的设计 上位机部分要完成数据采集的启动与数据的后期处理，其与通信系统的连接采用 g s m 短信，因此上位机部分就由微机+ g s m 模块构成。微机运行开发的后台软件，g s m 模块负责通信。 上位机部分也可实现移动测量，由手机实现，手机通过发送与接收短信给中位机， 完成数据采集的启动与接收。 2 2 系统的工作流程 系统工作流程如图2 2 所示，由中位机接收短信并解析，然后启动要测量的数据点， 数据点测量完毕之后，把数据在整体回传给中位机，由中位机打包成短信，上传给上位 机。 上位机或手机发 送测量短信 中间节点机收到短 信并解析 0 把测最命令发给 测量的数据点 上 测景完皆，回传 数据给中间节点 机 上 中问节点机封装 成短信，同传给 上位机 上 上位机接收并整 理数据 图2 2 系统工作流程图 2 3 系统工作时序图 系统工作时序图如图2 3 所示。系统由上位机发送启动系统测量的命令短信发起系 统的运行，中间节点机收到短信之后，解析短信，然后发送测量命令给需要测量的前端， 前端收到之后，启动开始测量，直到把命令中所规定的点数都测完为止，在测的过程中， 数据先存储到前端中的存储器中，等测完之后，把存储器中的数据全部传给中间节点机， 5 第二章总体设计 中间节点机收到数据之后，再整体以短信的形式发送给上位机，完成整个测量过程【6 1 。 e叵 一 图2 3 系统工作时序图 6 读传感器数值 长安大学硕士学位论文 第三章前端测频系统设计 前端测频系统就是第二章图2 1 系统整体结构图当中的下位机部分。该系统基于嵌 入式技术设计。 3 1 嵌入式系统 这个系统也称之为嵌入式系统。所谓嵌入式系统就是以应用为目标，以计算机技术 为基础，软硬件可裁剪，适应对功能、实时性、可靠性、安全性、体积、重量、成本、 功耗、环境、安装方式等方面有严格要求的专用计算机系统。也就是说，嵌人式计算机 系统实质上就是实现某些特定要求的计算机应用系统。因此，它同任何计算机系统一样， 都是由硬件和软件两大系统结合在一起，相辅相成所构成【7 1 。 其硬件系统结构框图如图3 1 所示。 图3 1 嵌入式计算机系统结构概念图 嵌入式处理器是构成系统的核心部件，系统中的其他部件均在它的控制和调度下工 作。嵌入式处理器所包括的处理器类型非常多。它可以是以c p u 为核心，再加上内存、 接口等部件构成；可以在单片机的基础上扩展而成；可以以数字信号处理器( d s p ) 为核 心构成；也可以用专用处理器芯片甚至用自己设计的a s i c 来构成。至于采用什么样的 处理器，主要取决于用户的需求。在嵌入式计算机系统中，作为核心部件的处理器性能 7 第三章前端测频系统设计 优劣将直接影响到整个系统的性能。 在嵌入式系统中，专用外设就是那些为完成用户所要求的功能而必须使用的外设。 在实际应用中，由于用户功能要求的多样性、实现这些要求的技术途径的灵活性，使外 设的种类繁多。而且，不同的用户系统所用的外设很不相同。从广义上讲，将那些经接 口与计算机相连接的部件均看成专用外设，专用外设也需要通过接口与计算机相连接。 不管是常规外设还是专用外设，它们的接口的功能都是一样的【8 1 。它们可以提供计 算机与外设的信息传送的通路。实现对外设状态的输入和对外设控制信息的输出。实现 电平的转换、信号形式( 数字信号与模拟信号) 的转换以及快速的处理器与慢速外设的同 步。 要使嵌入式计算机系统工作，完成用户所要求的功能，只有上面提到的硬件系统是 远远不够的。还必须配备相应的软件系统，两者相辅相成才能使整个嵌入式系统有效地 工作，它是嵌入式计算机系统的另一大组成部分。 由于嵌入式计算机的应用领域极其广泛，用户的需求各不一样。因此，嵌入式计算 机系统的规模相差很多，有的系统很大，而有的则很小。因此，所配备的软件系统规模 也各不相同。通常包括系统软件，用户程序。其中，系统软件包括嵌入式操作系统和应 用软件。规模较大的嵌入式计算机系统一般都配有操作系统，在规模较小或较简单的嵌 入式计算机系统中，由用户开发一个简单的实时监控程序，在最简单的嵌入式计算机系 统中，既不用配置实时操作系统也不用配置实时监控程序，只配置用户程序【9 】。 而就用户程序而言，一般都由用户开发完成。用户可以根据嵌入式系统的设计要求 和系统的资源配备情况，确定使用何种语言来编写用户程序，既可以用高级语言也可以 用汇编语言。高级语言功能强，且比较近似于人们日常生活用语习惯，因此比较容易用 其编写程序；而用汇编语言编写的程序则具有执行速度快、对端口操作灵活的特点。在 当前，人们通常用高级语言和汇编语言混合编程的方法来编写用户程序。 在最简单的嵌入式计算机系统中，因为只配置用户程序，因此用户程序除完成用户 功能之外，还包括对系统的简单外设的管理。在这种情况下，系统加电后就直接进入用 户程序f 1 0 】。 3 2 前端测频系统构成 根据实际需要，测频系统由三部分构成，传感器、分线器和测频模块。其结构框图 如图3 2 所示。 8 长安大学硕二l ：学位论文 键盘存储器 i 时钟 l ，丫， 去通信 卜感器一i - l 瞎油形出i 一 1 通信电路 i 州川p 肌1 1 单片机 ，l显示屏l 卜感器2 卜- 分线器 ii 滤波放大 陴 l 湖高仕盎- 豫 控制及地址指令 i 一”一 设备 图3 2 测频系统结构框图 这套系统是在单片机的基础上扩展而成的，其中传感器就是系统当中的专用外设。 分线器、脉冲形成以及滤波放大构成了嵌入式系统当中的专用接口，单片机就是嵌入式 处理器，通信电路是通信接口，显示屏、温度传感器以及键盘都是外设。 根据实际工程需要，在结构上，把专用接口电路中的分线器部分单独做成产品，而 把专用接口电路剩余部分与其它电路合在一起，构成一整体，称之为测频模块。本文所 研究的测频系统不包含显示屏，在后续的研发中可以酌情添加。图3 3 就是研发的实物 图。 圈3 3 测频系统实物图 3 3 传感器 钢弦式传感器是本文当中的专用量测工具，其选定是与用户的需求密切相关的。 9 第三章前端测频系统设计 3 3 1 传感器的要求 在土木工程中，尤其像隧道、竖井这样的地下工程，用于量测的条件是十分恶劣的。 传感器经常处于高粉尘、高湿度、高温差、强干扰和低亮度的情况之下，有时要长期在 潮湿的环境，甚至水中工作，有时要在一3 0 - 一5 0 。c 的温度环境中工作，而且传感器一 旦埋设，往后大都无法修理和更换，甚至观测人员都难以看到或到达仪器埋设的位置。 因此，对仪表和传感器除了技术性能、功能、精度、灵敏度等符合使用要求外，通常还 应满足以下要求： ( 1 ) 坚固耐用 监测仪表和传感器需要采用优质材料和元件制造，具有耐酸碱、防锈蚀、抗冲撞的 耐久性要求和防水、防潮的密封性要求。这样才能保证运输、安装过程中不易损坏，现 场埋设后可以长期使用。 ( 2 ) 长期稳定 “零漂 和“温漂 值必须满足规定要求。 ( 3 ) 恶劣环境的适应性 在高粉尘、高湿度、高温差和低温条件下能长期稳定工作。 ( 4 ) 操作简便可行 埋设、安装、调试、量测、操作简单方便，工作人员经短期培训即可独立操作。 诚然，即使再过若干年，十全十美的仪表和传感器也难以实现，但量测的基本要求 还是应该明确的【1 1 1 。 3 3 2 应力传感器的分类 量测应力、应变、压力和位移的方法很多，按其原理主要有机械式、液压式、光学 式、磁式、电阻式和钢弦式六类，其中前三类简单、直观、可靠，但不适于远距离量测 或遥控量测，而后两类应用较为广泛。目前，国外隧道、竖井工程上，基本上都属于电 阻式和钢弦式两类，其中又以差动电阻式传感器、电感式传感器、电阻应变式传感器和 钢弦式传感器应用最多。现将这四种常用传感器作一简单介绍和对比，见表3 1 所示。 1 0 长安大学硕士学位论文 表3 1 常用传感器对比分析 差动电阻式 序号比较项目电阻应变式电感式 钢弦式 ( 卡尔逊式) 钢丝张挂在固 以钢丝张拉在一次线圈周定 定子弹性传感 以自补电阻粘贴在弹性传感弹性钢架，构于仪器，以二 l原理器的钢架上， 器上构成监测全桥或半桥成监测的全桥次线圈与弹性 以线圈激振钢 或半桥传感器相连 丝并接受信号 限于结构，小限于结构，小 限于结构，小 2 尺寸大小型均可 型化难型化难型不容易 电阻3 5 0 0 f l 误差l ，采用 电阻3 0 0 f l 误 电阻3 0 0 0 0 f l 3 电路特点差1 5 ，长电无阻抗误差 恒电流，长电缆无需修正 几乎无误差 缆需要修正 元件绝缘电阻 长期稳定元件绝缘电阻容易降低，长故障发生的几 4 容易降低，长 长期稳定性好 性期稳定性差率大 期稳定性差 5敏感特性反应灵敏一般差较好 容易受温度影容易受温度影 6温度特性需要温度补偿片需要温度补偿 响响 能适应较差的 较易受外部干外部干扰易引 7干扰易受外部干扰监测环境，抗 扰起误差 干扰强 8 抗冲击性较差 很差较差较好 9动测能力较易动测较难动测较难动测较难动测 用途范围广，使用较多。尺 尺寸受限制，尺寸受限制， 寸不受限制，原型和模型量尺寸和稳定性 室内模型应用室内模型应用 1 0 适用性测均可，特别适合是瞬时、所限，应用较 困难，适于现较少，适于现 动态荷载观测。但不宜用于少 场长期观测 场长期观测 野外长期观测 目前，隧道、竖井中用的最多的是电阻应变式与钢弦式两种传感器，其中，电阻应 变式中应用最多的是应变片式。它是一种将待测弹性元件上的应变变化转换为电阻变化 的传感元件。由于制作材料、工艺、适用范围的不同，又分为了若干种类型，比如在超 高温环境中应用的应变片，就足陶基片，而不是纸基片。它是基于会属丝( 多用铜丝) 的 第三章前端测频系统设计 电阻应变效应的原理制成，即金属丝导体的电阻，随着粘贴依附体的变形( 拉伸或压缩) 大小而变化，在工程测量中，钢弦的电阻和电阻系数以及截面积等属性会随着测量对象 产生变化。这种传感器具有尺寸可变、重量轻、厚度小、分辨率高，适于静动两用、远 距离量测和巡检自动化等优点，其构造示意如图3 4 所示。 密封外壳 电阻虚变片 图3 4 电阻应变片式传感器 而钢弦式传感器具有结构简单，设计、制造、安装和调试都较容易，钢弦频率信号 的传输受导线电阻的影响很小，量测距离可以较远，灵敏度与量程容易控制，长期稳定 性好，精度也较高，耐恶劣环境，受外界干扰因素小等优点，因此，钢弦式传感器倍受 工程界青睐。本文所研究的系统采用的就是钢弦式传感器，下面讲详细介绍这种传感器 的工作原理。 3 3 3 钢弦式传感器工作原理 钢弦式传感器的敏感原件是一根金属线( 一般称为钢弦) 。一般采用马氏不锈钢、 高弹性弹簧钢或钨钢制成。其工作原理是利用钢弦的自振频率与钢弦所受张力的变化关 系式获得各种物理量。钢弦的自振频率是由它的长度、钢弦材料的密度和钢弦所受的内 应力所决定的，其关系式如式3 1 所裂1 1 1 。 f = ( 1 2 l ) x 仃j d ( 3 1 ) 式中：厂一钢弦自振频率； 三一钢弦有效长度； 仃一钢弦所受的张拉应力； p 一钢弦材料的密度。 由式3 1 可以看出，传感器所用钢弦材料的直径、有效长度均为常量，钢弦的自振 频率仅与钢弦所受的张力有关。因此，张力的变化可用频率的关系式来表示，其关系 式见式3 2 。 1 2 长安大学硕士学位论文 f = k ( z 2 一石) 式中：，一钢弦式张力的变化量； k 一传感器灵敏系数； z 一张力变化后的钢弦自振频率； 五一传感器钢弦初始自振频率。 以钢弦式砼应力传感器为例，其构造详见图3 5 。 图3 5 钢弦式砼应力传感器 图3 6 是本文所用的一款压力传感器的内部构造实物图。 图3 6钢弦式压力盒传感器实物图 ( 3 2 ) 3 4 分线器 分线器是嵌入式系统当中专用接口电路的一部分，是为了满足自动接线的要求而设 计的。 在实际工程当中，由于测量的需要，埋设了大量钢弦式传感器，以满足对不同部位 的量测要求。因此测量的时候，就需要读取这些不同传感器的值。在传统测量当中，是 用手工把传感器逐个接入测频仪就行测量，既费力又费时。而本文所研究的系统是要进 行远程遥控测量的，因此，承担数据测量任务的测频系统是要能够进行自动测量数据的， 而这当中就有自动找寻并接入传感器的任务需求。针埘此需求，就研发了分线器。 1 3 第三章前端测频系统设计 3 4 1 分线器原理 分线器是连接传感器与测频模块的专用电路，其原理框图如图3 7 所示。 摊南舆l r 1 兰兰三：r h 卧 驱动译码 接控制暑 电路电路 地址指 卜阡 o。+。“。- 采集脉冲及数据 图3 7 分线器原理框图 它主要由地址译码电路、驱动电路、继电器和传感器插座构成。其中译码电路接收 来自于测频模块的地址信号，经过译码、驱动控制继电器的通断，自动分时接入所接的 各个传感器，使传感器通过继电器、驱动电路和译码电路与测频模块在电路上分时连通， 实现自动接入传感器的任务。同时分时连通的电路也是测频模块为了读取该传感器的值 而发的激励信号与接收响应信号的电路通道12 1 。 3 4 2 分线器的设计 在分线器的具体设计中，选择了目前主流的可编程器件作为核心芯片进行开发1 3 】。 其型号是a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 s 系列的e p m 7 1 2 8 s t c l 0 0 6 芯片。该芯片有1 0 0 根引 脚和1 2 8 个宏单元。其结构示意图如图3 8 所示，黑色表示本文所研究的系统已使用的 引脚，白色表示未使用引脚。 图3 8e p m 7 1 2 8 s t c l 0 0 - 6 芯片外部结构示意图 这是一款c p l d 芯片。c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是c o m p l e x p l d 1 4 长安火学硕士学位论文 的简称，c p l d 是一种用户根据各自需要而白行构造逻辑功能的数字集成电路。c p l d 采 用熔丝结构，基本组成单元是可编程的逻辑宏单元，即一组与、或、异或门、多路选择 器、寄存器和反馈通路，它们与可编程布线结合，使得模块之间可以互连。宏单元通过 “熔丝 实现可编程，从而完成用户设定的逻辑功能。因为c p l d 的硬件结构设计可由 软件完成，所以它的设计比纯硬件的数字电路具有更强的灵活性，几乎所有应用中小规 模通用数字集成电路的场合均可采用c p l d 器件。并且c p l d 芯片具有非易失性的特点， 具备高速启动的优势【1 4 ，15 1 。 本文所还开发的分线器用c p l d 实现6 6 4 译码及驱动的功能，分线器的具体设计 原理图如图3 9 所示。 图3 9 分线器设计原理图 图3 9 中，译码器由c p l d 芯片i c l 担任，完成将测量模块输出的6 位传感器地址 译出为6 4 路控制信号d 1 d 6 4 ；译出的控制信号d i 通过三极管u i 放大，驱动继电器 飚连通传感器插座j i ，将第i 个传感器接入测量通道。插座j 0 与测量模块的检测电缆 相连。7 脚是激励信号和传感器响应信号线，先将测量模块的激励信号传给传感器，再 将传感器的响应信号回传给测量模块。1 - 6 脚是地址线，将测量模块输出的位选信号送 给译码器i c l 。i c l 根据输入的位选信号选中译码器6 4 个输出口中的一个。译码器中6 4 1 5 第三章前端测频系统设计 个输出引脚中的任何一个输出低电平，都会将晶体管u 1 一u 6 4 中的一个打开，进而接 通相应的继电器，将连接在插座儿- - j 6 4 上相应的一个传感器与j 0 的7 脚接通，完成分 线任务。 这个分线器最多可以连接6 4 个传感器，在分频仪的控制下完成对6 4 个传感器的分 时接入任务。 图3 1 0 就是开发实物图。 图3 1 0 分线器实物图 以下就是c p l d 的部分源代码【1 6 ，1 7 1 。 m o d u l em a i n ( i n 6 ，o u t 6 4 ) ； i n p u t 5 ：0 】i n 6 ； o u t p u t 6 3 ：0 】o u t 6 4 ； r e g 6 3 ：0 】o u t 6 4 ； a l w a y s ( i n 6 ) b e g i n c a s e ( i n 6 ) 6 b 0 0 0 0 0 0 ：b e g i no u t 6 4 1 6 3 ：0 = 1 ；e n d 6 b 0 0 0 0 01 ：b e g i no u t 6 4 1 6 3 ：0 = 2 ；e n d 6 b 0 0 0 010 ：b e g i no u t 6 4 1 6 3 ：0 = 4 ：e n d 6 b 0 0 0 011 ：b e g i no u t 6 4 1 6 3 ：0 = 8 ：e n d 3 5 测频模块 测频模块是测频系统的核心模块，它通过接收上位机通过通信系统给它发的指令， 控制分线器以及读取传感器的频率值，并将测得的数据值通过通信系统回传给上位机。 本文所研究的测频系统要测两个数据值，分别是测点的传感器值，和当时的测点温 度值。 1 6 长安大学硕十学位论文 3 5 1 测频模块结构框图 本文所研究的测频模块主要由三个模块构成，分别是测频电路、温度采集模块和存 储电路，这三个模块由单片机统一控制。结构框图如图3 1 1 所示。 在图3 1 l 中，脉冲形成以及滤波放大这两个模块是与钢弦式传感器有关的电路，在 电路上是与分线器相连接的，与分线器一同构成专用接口电路，在单片机的控制下，完 成对钢弦式传感器的数据采集。 温度传感器是完成对温度采集的专用外设，与单片机直接相连。其它电路模块是构 成测频模块的常规外设。 存储器完成数据存储的功能，在测量数据时，测频模块是边测边存，就是说测一个 数据就存储一个值，等所有的数据都测完之后，再把数据从存储器中取出来，统一通过 通信系统回传给上位机。 3 5 2 温度采集模块设计 根据实际要求，在采集数据时，还要采集当时的温度值，因此在测频模块上设计了 温度采集的电路。其核心电路是用一线式温度传感器d s l 8 8 2 0 构建的。这种传感器体 积小，接口简单，操作方便。测量温度范围为5 5 0 c + 1 2 5 0 c ，在1 0 + 8 5 0 c 范围内， 精度为士o 5 0 c ，现场温度直接以“一线总线 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干 扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。并且，系统设计灵活、方便。适用电压为 3 v 5 5 v f l s i 。 图3 1 2 就是测频模块上的温度采集模块的电路原理刚1 9 1 。 1 7 王： 1 第三章前端测频系统设计 。= 图3 1 2 温度采集模块原理图 温度采集模块采用了两个同型号的温度传感器，在一次测量数据时，同时取这两个 传感器的值，也就是说上位机发一次测量命令，一个测频模块要提供两个温度值。 d s l 8 8 2 0 温度采集时，需要遵循一个固定的工作过程，每次采集数据时，都要遵循 这一流程。具体过程是，初始化、r o m 操作命令、温度转换命令、存储器操作命令。 每一个过程都要严格按照器件所规定的时序操作。 初始化过程主要是检测在线传感器是否正常，过程就是单片机发一复位脉冲，如果 传感器正常，就返回一存在脉冲。具体协议就是主机发送一最短为4 8 0 u s 的低电平信号， 接着主机就释放总线进入接收方式，单总线经过5 艘的上拉电阻被拉至高电平状态， 在检测到v o 引脚上的上升沿之后，d s l 8 8 2 0 等待1 5 6 u s 后发送6 0 - - - 2 4 0 u s 的低电平存 在脉冲。 r o m 操作命令很多，主要是找寻需要操作的传感器，因为如果在一线式总线上挂 了多个传感器，就要确定具体对那个传感器操作，而传感器内部的r o m 是传感器的唯 一标识。在本文所研究的系统中，因为是单点设计，故采用跳过r o m 命令，具体命令 值是c c h 。 接着发送温度转换命令，具体命令是4 4 h 。因为传感器从感测温度到转换温度需要 2 秒钟时间，因此后面的操作需要等待2 秒钟。传感器把转换后的温度自动存储在内部 的存储器中。 下面就是存储器操作，d s l 8 8 2 0 内部有一个存储容量为9 个字节的存储器，读的 时候是连续操作，就是一个读命令是整个9 个字节数据全部都读取出来了，因此读取命 令的时候要留够9 个数据的读取时间。这个9 个数据前面两个字节是温度数据，低位在 前，高位在后。最后一个字节是校验码，采用的是循环校验算法。具体读命令是b e h 。 以上就是操作过程以及具体命令，在总线上具体操作的时候，这些命令及过程就是 由复位脉冲、存在脉冲、写0 、写1 、以及读0 、读l 这些信号构成。 写0 及写l 是这样完成的，先由主机把数据线从高电平拉至低电平，表示写操作开 1 8 长安大学硕士学位论文 始，如果是写0 ，则数据线持续为低电平，时间至少保持6 0 u s ，如果写1 ，则在写操作 开始之后的至多1 5 u s 内将数据线拉至高电平，并维持至少6 0 u s 的高电平。不管是写0 还是写1 ，如果连续操作，各位之间必须要互相要间隔1 u s 的数据恢复时间。d s l 8 8 2 0 在检测到数据线由高电平到低电平之后，自动开始计时，在1 5 u s - 一6 0 u s 之间对数据线进 行采样。即完成写入d s l 8 8 2 0 一个比特的数据的操作。写操作完成之后数据线由外部 上拉电阻自动拉至高电平状态。 读0 或读1 操作是这样完成的，在读的阶段，主机把数据线从高电平拉至低电平， 表示一个读操作的开始，此低电平必须保持至少l u s 的时间，又因为d s l 8 8 2 0 在收到 数据线上的低电平1 5 u s 后，就提供数据，因此此低电平至多保持1 5 u s 。在1 5 u s 一6 0 u s 时间内是传感器提供一个比特数据的时间。在此时间内，主机读取数据线上的数据。如 果是连续操作，则各位之间要间隔l u s ，此时间为数据恢复时间。读操作之后数据线由 外部上拉电阻自动拉至高电平状态【2 0 1 。 下面就是基于这一电路的部分源程序代码【2 1 1 。 严读温度 v o i dr e a d t e m p e r a t u r e ( u n s i g n e di n tn _ t e m ) u n s i g n e dc h a ra = o ： u n s i g n e dc h a rb = 0 ： i n i t _ d sl8 8 2 0 0 ； i f ( x ) i n i t _ _ d s18 8 2 0 0 ； i i 目! x ) d e l a y c ( 12 ) ； w r i t e o n e c h a r ( 0 x c c ) ； w r i t e o n e c h a r ( 0 x 4 4 ) ； i n i t _ d s 18 8 2 0 0 ； i f ( x ) i n i t _ d s18 8 2 0 0 ； i 坟! x ) d e l a y c ( 12 ) ； w r i t e o n e c h a r ( 0 x c c ) ；严跳过读序号列号的操作 w r i t e o n e c h a r ( 0 x b e ) ；严读取温度寄存器等( 共可读9 个寄存器) 前两个就是温度 a = r e a d o n e c h a r 0 ； b = r e a d o n e c h a r 0 ； b = 4 ： a = a & 0 x o f ； b = b & 0 x f 0 ； b = b l a ； m _ w p = 0 ； c r i t e t e m p e r a t u r e ( b ，n _ t e m ) ； m w p = l ； 1 9 第三章前端测频系统设计 ， 3 5 3 测频模块设计 测频部分的电路是由钢弦式传感器的工作原理决定的。这种传感器是通过外部应力 使传感器发生形变从而带动与之相连的内部钢弦发生形变，从而改变钢弦的固有频率。 测量的时候，只要把钢弦的固有频率测量到，然后套用公式，就可求得应力等参数。因 此测量的时候，要先使钢弦振动起来，然后再测量钢弦的振动频率。 根据上述原理，测频电路就有两部分构成，一个是脉冲形成电路，这部分电路是使 钢弦起振的电路，另一个是滤波放大电路，这部分电路是读取钢弦振动时所产生的振动 信号，回传送给单片机，由单片机根据这些信振动号求得振动频率。这两部分电路都要 在单片机的控制下工作。具体工作过程是这样的，单片机给出传感器选通地址，然后通 过脉冲形成电路输出采集脉冲信号，接着由滤波放大电路接收传感器的振动信号，最后 由单片机计算出信号频率即振弦式传感器频率值，将数据存放到存储器中。 下面将介绍这两部分电路的工作原理。图3 1 3 是采集脉冲信号形成电路框图。 图3 1 3 脉冲形成电路框图 根据需要，采集脉冲信号是一个高压脉冲信号。这个脉冲信号是在单片机的作用下 累积形成的。电路原理就是用一个电容不断累积电荷，最终达到规定的电压值。这个电 容就在图3 1 3 中高压脉冲形成电路模块中。提供累积电荷的能源是5 v 电源。具体工作 原理就是在单片机的一个输出端口控制下，使电源的直流电不断断开闭合，从而引起高 压脉冲形成电路模块中的线圈中的电不断变化，通过变压器使次级得到感应高压，进而 给电容充电。当电充满之后，经单片机控制，使电容上的电经开关电路迅速放掉，形成 打击钢弦的脉冲，使得钢弦震动起来。 钢弦起振之后，会经过传感器形成感应脉冲电压，经过滤波放大电路，回传给单片 机，由单片机根据脉冲个数求得钢弦振动频率。图