（计算机应用技术专业论文）基于linux的手持式弦振频率测量仪研制.pdf

要 基于l in u x 的手持式弦振频率测量仪研制 摘要 弦振传感器是一种把应力大小转化为对应钢弦振动频率的的应力采集装置，它几 乎是岩土工程领域中预埋在大坝和建筑物旱能够长期稳定工作的唯一测量器件，其结 构简单，坚固耐用，稳定性好，精度较高，输出为频率信号，可与微机直接接口，广 泛的应用于水电工程、铁路交通、矿山石油、土木建筑物及地基内结构中。 弦振传感器频率测量仪是用于此类传感器的测量装置，使用它对预埋的传感器进 行测量，工程技术人员可以获得关键点的受力数据，进而对整个施工或后期建筑物受 力状况进行监测和评估，有效的保证施工与工程安全。 本文研制了一款基于嵌入式丌发技术的便携式弦振传感器频率测最仪，它具备较 高的测量精度和完善的数据管理功能，与传统装置相比更加小巧轻便，数据管理能力 大大增强，操作人员可以随身查询和分析测量数据，极大地方便了技术人员的现场勘 测。 论文共分为四章：绪论、频率测量模块设计、系统主模块设计、系统分析。绪论 中介绍了目前弦振测频领域的发展现状和常用的技术手段，并依此对系统总体设计方 案进行了分析，该部分定制了系统需求，选取了开发设备所需的软硬件条件；在频率 测量模块设计一章中详细的介绍了频率测量模块的丌发设计过程，其中分析了弦振测 频的基本原理与弦振传感器的工作特性，介绍了以i c l 8 0 3 8 和c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心器件 的测频功能软硬件实现，包括扫频激振功能的设计和实现，滤波放大电路和等精度测 频算法的实现；在系统主模块部分，详细介绍了a r ml i n u x 丌发平台的搭建过程，其 中包括宿主机交叉编译环境的配置，基于s q l i r e 嵌入式数据库的程序开发设计，本 章设备问通信接口设计一节介绍了两个模块间的命令控制接口的开发过程，包括对串 口通信协议的分析，c 8 0 5 1 f 0 2 0 、$ 3 c 2 4 4 0 串口通信功能以及l i n u x 串口驱动程序的 分析，制定了它们的通信步骤，并完成命令接口程序的编写。最后一章对整个系统的 中文摘要 采取的抗干扰措施进行了总结，并在附录中提供了系统测试数据和相关图片。 关键词：弦振测频，嵌入式l i n u x ，s q l i t e ，串口通信 u 英文摘要 l i n u x b a s e dh a n d h e l ds t r i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r i n g i n s t r u m e n td e v e l o p e d a b s t r a c t s t r i n gv i b r a t i o ns e n s o ri sb a s e do ns t e e l - s t r i n gv i b r a t i o ns t r e s sm e a s u r e m e n td e v i c e ， i ti sa l m o s te m b e d d e di nt h ef i e l do fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga n db u i l d i n gt h ed a m w h e r et h ew o r kc a nb et h eo n l yl o n g - t e r ms t a b i l i t ym e a s u r i n gd e v i c e ，i t ss t r u c t u r ei s s i m p l e ，r u g g e d ，g o o ds t a b i l i t y , h i g ha c c u r a c y , t h eo u t p u tf r e q u e n c ys i g n a l ，c a nd i r e c t l y i n t e r f a c ew i t ht h ec o m p u t e r , w i d e l yu s e df o rh y d r o p o w e rp r o j e c t s ，r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ， m i n e sp e t r o l e u m ，c i v i lb u i l d i n g sa n df o u n d a t i o n sw i t h i nt h es t r u c t u r e s t r i n gv i b r a t i o ns e n s o ri s ak i n do fs t r e s st h es i z eo ft h es t e e ls t r i n g si n t ot h e c o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c yo f t h es t r e s sc o l l e c t i o nd e v i c e ，i ti sa l m o s te m b e d d e d i nt h ef i e l do fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga n db u i l d i n gt h ed a mw h e r et h ew o r kc a nb et h e o n l yl o n g t e r ms t a b i l i t ym e a s u r i n gd e v i c e ，w h i c hs t r u c t u r e i ss i m p l e ，r u g g e d ，g o o d s t a b i l i t y , h i g ha c c u r a c y , t h eo u t p u tf r e q u e n c ys i g n a l ，c a nd i r e c t l y i n t e r f a c ew i t ht h e c o m p u t e r , w i d e l yu s e di nh y d r o p o w e rp r o j e c t s ，r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，m i n e sp e t r o l e u m ， c i v i lb u i l d i n g sa n df o u n d a t i o n sw i t h i nt h es t r u c t u r e t h i ss t r i n gv i b r a t i o ns e n s o rf r e q u e n c ym e a s u r i n gi n s t r u m e n ti su s e df o rs u c hs e n s o r s m e a s u r i n gd e v i c e s ，u s i n ge m b e d d e ds e n s o r st om e a s u r ei t se n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a l p e r s o n n e la c c e s st ok e yp o i n t so ft h ef o r c ed a t a ，a n dt h e nt h ee n t i r eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n o rf o r c et h el a t t e rp a r to ft h es t a t eo fm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o n ，a n de f f e c t i v eg u a r a n t e e o fc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n gs a f e t y t h i sp a p e rd e v e l o p e da ne m b e d d e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nap o r t a b l e s t r i n gv i b r a t i o ns e n s o rf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，a n di th a sah i g h e rm e a s u r i n g a c c u r a c y a n di m p r o v e dd a t am a n a g e m e n tc a p a b i l i t i e s ，a n di sm o r ec o m p a c ta n d l i g h t w e i g h tc o m p a r e dt o c o n v e n t i o n a ld e v i c e s ，d a t am a n a g e m e n tc a p a b i l i t yh a sb e e n g r e a t l ye n h a n c e d ，t h eo p e r a t o ry o uc a l lc a r r ym e a s u r e m e n td a t aq u e r ya n da n a l y s i s ， 英文摘要 w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t e st h et e c h n i c a lp e r s o n n e lo n - s i t es u r v e y p a p e ri sd i v i d e di n t of o u rc h a p t e r s ：i n t r o d u c t i o n ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e d e s i g n ，s y s t e md e s i g no ft h em a i nm o d u l e ，s u mu pa n dt e s t i n gf o u rp a r t s i n t r o d u c t i o n d e s c r i b e dt h ec u r r e n ts t r i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t si n t h ef i e l do ft e c h n i c a lm e a n su s e da n dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h ep r o g r a ms ot h es y s t e mw a s a n a l y z e d ，t h a tp a r to ft h ec u s t o m i z a t i o no ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，s e l e c tt h ee q u i p m e n t r e q u i r e df o rt h ed e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n d i t i o n s ；i nt h ef r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm o d u l e d e s i g n ac h a p t e rd e t a i lt h e d e v e l o p m e n t o f f r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm o d u l ed e s i g np r o c e s s ，w h i c ha n a l y z e st h es t r i n gv i b r a t i o n f r e q u e n c y m e a s u r e m e n to ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs t r i n gv i b r a t i o ns e n s o ri s i n t r o d u c e di no r d e rt oi c l 8 0 38a n dc 8 0 51f 0 2 0d e v i c e sm e a s u r i n g f r e q u e n c ya st h ec o r e f u n c t i o no ft h es o f th a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，i n c l u d i n gt h es w e e pe x c i t a t i o nf u n c t i o no f t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n ，f i l t e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，a n do t h e rp r e c i s i o nf r e q u e n c y m e a s u r e m e n ta l g o r i t h ma c h i e v e d ；s o m eo ft h em a i nm o d u l ei nt h es y s t e m ，d e t a i l i n gt h e a r ml i n u x d e v e l o p m e n tp l a t f o r m t ob u i l d p r o c e s s ，i n c l u d i n gc r o s s c o m p i l e r e n v i r o n m e n t ，h o s tc o n f i g u r a t i o n ，b a s e do ns q l i t ee m b e d d e dd a t a b a s ed e v e l o p m e n ta n d d e s i g np r o c e s s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nd e v i c e st od e s i g nas e c t i o nd e s c r i b e s t h et w oc o m m a n d c o n t r o li n t e r f a c eb e t w e e nt h em o d u l ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，i n c l u d i n g t h e a n a l y s i s o fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，c 8 0 51f 0 2 0 ，$ 3 c 2 4 4 0s e r i a l c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na sw e l la st h el i n u xs e r i a ld r i v e ra n a l y s i s ，d e v e l o p m e n to ft h e i r c o m m u n i c a t i o ns t e p s ，a n dc o m p l e t et h ep r e p a r a t i o no ft h ec o m m a n di n t e r f a c ep r o g r a m i nt h ep a p e rt h el a s tc h a p t e ro ft h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ei st e s t e d ，e v a l u a t i o na n d s u m m a r y k e yw o r d s ：s t r i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ；e m b e d d e dl i n u x ；s q l i t e ； s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i l 绪论l 1 1课题的目的和意义1 1 2国内外研究现状1 1 3本文工作的主要内容：2 1 4 系统设计方案3 1 4 1频率测量模块设计方案4 1 4 2系统主模块设计方案4 ” 2频率测量模块设计6 2 1 传感器编码功能设计6 2 1 1d sl8 8 2 0 芯片简介一6 2 1 2编码功能实现8 2 2弦振测频的基本原理9 2 2 1弦振传感器简介9 2 2 2 弦振传感器的工作特性1 l 2 2 3弦振传感器的测量方法1 3 2 3 扫频激振部分设计：13 2 3 1频率发生部分设计1 3 2 3 2电压电流转换电路设计1 6 2 4拾振部分设计17 2 4 1信号调理模块设计1 7 2 4 2等精度频率测量18 2 5其他部分2 0 2 5 1a d c 0 及温度传感器2 0 2 5 2 硬件看门狗2 2 v 目录 2 6 频率测量模块主控芯片程序设计2 3 3系统主模块设计2 5 3 1a r ml i n u x 平台搭建2 5 3 1 1l i n u x 操作系统及m i n i 2 4 4 0 丌发平台简介。2 5 3 1 2配置开发平台2 6 3 2数据库功能设计3 4 3 2 1 s q l i t e 简介3 4 3 2 2 s q l i t e 在a r m + l i n u x 平台上的移植3 6 3 2 3数据库程序设计3 9 3 3通信接口设计4 4 3 3 1 串口通信简介4 4 3 3 2c 8 0 5 i f 0 2 0 、$ 3 c 2 4 4 0 串口功能分析。4 6 3 3 3 测频模块与系统主模块间控制接口程序设计4 8 3 4系统主模块主体程序框架5 2 4系统分析5 3 4 1系统可靠性分析5 3 4 2系统性能指标测试5 3 4 3 全文总结5 5 参考文献5 6 附j 录5 8 攻读学位期间发表的论文6 5 致谢6 6 浙江师范大学学位论文独创性声明。 学位论文使用授权声明 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 v i 绪论 1 1 课题的目的和意义 1 绪论 弦振式传感器是一种在工程测量领域中应用极为广泛的应力传感器，它采用频 率作为输出信号，受温度、接触电阻、泄漏电阻的影响小，长线传输衰减小，且价 格低廉，性能稳定，在土木工程、水利工程的变形观测、渗压观测及应力观测中具 有不可替代的作用。 弦振测频系统是基于此类传感器的测量装置，它通常由铡弦激振部分，返回信 号拾取部分，频率测量部分，温度测量部分，数据管理部分，人机交互部分组成。 按照使用场合分为固定安装的自动巡检测量装置和人工现场手动测量装置。在土木 工程领域，建筑设施往往分御离散，各个受力监测点较为分散，自动巡检装置需要 预埋连接线路，成本较高，人工现场测量是主要的数据获取手段。 随着嵌入式技术同新月异的发展，手持设备的功能已经足够强大，价格也足够 低廉，通过引入高性能的移动设备模块，围绕该设备丌发相应的应用系统，采用移 植操作系统的方法，充分利用已有的软件资源，来完成各种工作需求，这样既可以 大大减少设备开发成本，缩短开发周期，也可提高设备的性能和稳定性。 本项目利用嵌入式技术丌发功能强大的手持弦振频率测量设备，弥补了目前市 场的空缺，具备广阔的市场前景。 1 2 国内外研究现状 国外专业从事岩土工程测量仪器的公司比较多，如英国的s o i li n s t r u m e n t s 公司，加拿大的r o c t e s t 公司，美国的s l o pi n d i c a t o r 公司，瑞士的s m a r t e c 公 司，瑞士的s o l e x p e r t sa g 公司等等，他们的产品包括水位、压力、位移、应力、 应变、倾斜、温度监测方面的各种类型，产品涉及的领域包括供水利、水电、交通、 绪论 铁道、矿山和工民建等多个领域，产品形式多种多样，内容较为丰富。较之于国内 的产品简单实用的特点，国外公司的测量仪器在功能上更加丰富，综合性能较好。 比如s o i l 公司的v i b r a 系列支持u s b 连接p c ，在长时间内监测弦振信号返回峰值， 超低功耗长时间无人连续测量，可外接外部照明提供夜间操作功能，多个v i b r a 产 品可联机同步操作用于采样比较，可通过g p r s 或i n t e r n e t 收发e m a i l ，多通道峰 值替换等。s l o p ei n d i c a t o r 公司的m i n i m a t eb l a s t e r 可长时间大数据量测量，采 用调制域频率测量方法，并可以在连续监测零空载时间计数器的同时，多任务的执 行其他测量功能，如在线打印等。 目前国内岩土工程领域测量仪器生产厂家多为小型企业，设计模式主要针对特 定应用，产品类型均较简单，大部分弦振测频类产品的功能只集中在数据采集与简 单收集上，基本上不具备其他数据管理及测频控制功能。 目前国内用于现场测量的弦振测频仪通常为8 位机控制，采用高压脉冲激振， 无操作系统支持，常用型号包括江苏海岩工程材料仪器有限公司的x p 0 2 型振弦频 率仪，南京葛南实业有限公司v w 1 0 2 a 型振弦读数仪，丹东市北方传感器厂z x 一1 2 振弦频率检测仪，北京斯创尔建筑技术丌发有限公司v w 一1 振弦读数仪，山东科技 大学洛赛尔传感器技术有限公司单通道钢弦频率计g s j 一2 a 型振弦传感器智能检测 仪等。这些设备的普遍特点是测频剧期较长，无图形操作界面，不支持存储器外扩 等，对于大量离散监测点的数据测量工作，技术人员操作步骤繁琐，现场查看分析 数据不便，数据备份时与存储体的数据交换也非常不便，这些都是目f j 工作人员在 实际应用中亟待解决的问题。 1 3 本文工作的主要内容 本文的主要内容为便携式弦振传感器测频仪的研制，结合国内外弦振传感器测 量设备的实际特性，在此基础上进行功能的改进与增加。本研制工作的主要特点为 充分利用嵌入式开发技术设计新型仪器，使之具备与p c 机平台相似的数据采集、 管理、分析功能，丰富现场测量手段，且具备友好 操作，具体工作概括起来分为以下几个部分： 2 的人机交互界面，便于工程人员 绪论 ( 1 ) 介绍弦振传感器的特点及弦振测频系统的国内外发展现状。 ( 2 ) 测频模块的软硬件设计，包括器件选型，典型电路选取，电路原理图的 绘制及主控制器件程序设计等工作。 ( 3 ) 系统主模块的软件设计，主要内容为包括嵌入式操作系统的选择，开发 环境的搭建，交叉编译工具链的配置，数据库软件的移植，串口协议的制定以及g u i 界面的编写等工作。 1 4 系统设计方案 通常现场测量设备需要满足准确、便携、可靠和低功耗的要求，对于数据采集 设备还要有相应的数据查询和管理功能。老式的弦振测频装置，均为8 位机控制， 以高压脉冲激励的方式起振，这种传统的测频设备，虽然成本低廉，简单可靠，但 却使得整个系统体积大，精度低，数据管理难，在很多场合无法满足工作人员的操 作需求。 针对测量精度低的i n j 题，可以从传感器起振方式，和拾振方法两个方面解决， 若采用扫频激励振荡替代高压脉冲激振，可以降低由于脉冲引起的杂波干扰，提高 传感器返回信号质量，同时由于不需要使用变压器，设备体积较小。在拾振阶段则 通过采用仪用运放替代普通运放提高滤波放大性能，改善测量精度。 针对数据管理不便的问题，可以通过引入基于l i n u x 的数据库后台程序s q l i t e ， 将其移植到嵌入式平台，在此基础上丌发相应的数掘库管理应用程序，这样不仅简 化了编程，还可轻易的实现查询、排序、格式化、打印输出等高级功能，极大的丰 富了数据管理手段。 系统设计可将频率测量模块和数据管理模块分立丌来，以便降低设备后期升级 和维护成本，提高模块的通用性。测频模块可采用典型的8 位机控制采集方式，主 控设备则可选择3 2 位的a r m 9 开发平台，以确保数据库运行的资源需求。 根据应用需要，设计的弦振测评仪实现如下功能指标如下： ( 1 ) 测频精度：0 1 ( 2 ) 测温精度：o 1 摄氏度 绪论 ( 3 ) 工作环境：0 4 0 。c ，相对湿度8 5 1 4 1 频率测量模块设计方案 频率测量模块可以沿用8 位机控制外围设备采集测量数据的方法，通过主控芯 片操作外设，完成与系统主模块的数据交换。它需要完成传感器的扫频激励振荡， 返回信号的滤波、放大、整形、等精度测量，串口通信，温度测量等工作。可以选 用c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为模块的主控芯片。该芯片具有高速8 0 5 1 内核，1 2 位a d c ，1 2 位 d a c ，内部温度传感器，串口控制器等外围器件，兼容5 v 的工作电压，可以满足频 率测量工作的要求。 传感器的激励振荡采用频率扫描的方法。扫频激振需要产生连续可调的频率信 号，使用单片机软件模拟信号输出不能实现较高的扫频精度，这会导致传感器难以 起振，因此可选用专用的i c l 8 0 3 8 函数信号发生芯片，该芯片能够产生高精确度的 各种波形，占空比可调节，能满足扫频激振的需要。 由于目前一些弦振传感器支持1 8 8 2 0 温度传感器作为编码器件，这种方式既提 供了温度测量功能，又非常方便的实现了传感器数字编码，是数字化测量的发展方 向，因此本系统提供了1 8 8 2 0 编码识别和设置功能。 1 4 2 系统主模块设计方案 系统主模块是整个仪器的控制核心和数据管理部件，它需要运行l i n u x 操作系 统以及基于其上的s q l i t e 嵌入式数据库，还要完成对外围设备的管理，包括人机 交互界面 选用 自带u s b 图1 功能，它 主控制器 网卡等， 智能化的 绪论 电源 温度传 感器 电源监 测a d c c 8 0 5 l f 0 2 0 硬件看 门狗 誉嚣h 警h 矧旧电路p i 器p j 电路f “ 时钟iu s b 控 模块i 制器 2 4 0 x 3 2 0l 电源 l c di 管理 出口 模块 m i n i 2 4 4 0 ( l i n u x + s q li t e ) 键盘 图1 1 弦振测频系统框图 5 频率测量模块设计 2 频率测量模块设计 2 1 传感器编码功能设计 2 1 1d s l8 8 2 0 芯片简介 一些新型传感器自带d s l 8 8 2 0 数字编码温度传感器作为编码部件，使得被测设 备同时具备温度和编码功能，非常方便工程应用，本系统设计支持该类设备。 d s l8 8 2 0 是d a l l a s 公司一款数字测温芯片，具备9 位温度读数，信息通过单 线接口送入送出，读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，无需外 部电源。测温范围一5 5 摄氏度n + 1 2 5 摄氏度，增量值为0 5 摄氏度，能够在1 s 内把 温度变换为数字心1 。使用时用户可定义温度告警设置，并通过相应流程设置本机编码。 d s l 8 8 2 0 非常符合既需要测量温度，有需要定制编号的弦振传感器类型。本设计支 持对该类传弦振感器进行编码和测温。 d s l 8 8 2 0 的引脚排列如下： 旦g畲 o n c n c v 叻 d q l8 27 36 45 图2 1d s l 8 8 2 0 封装 表2 1d s l 8 8 2 0 详细的引脚说明 n c n c n c g n d 引脚8 脚s o i c引脚t 0 9 2符号说明 51g n d 地 4 2 d o 单线运用的数据输入输出引脚； 33v d d可选v d d 引脚 6 频率测量模块设计 d s l 8 8 2 0 内部包括6 4 位r o m ，温度灵敏元件，非易失性温度告警触发器t h 和 t l 。芯片从通信线取得电源，在信号线为高时，把能量贮存在内部的电容器中，为低 时断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生电容为止晗1 。 v d d 内存发控制 守 逻拼 j r温度传感器 内部v d d j t r 一 6 4 位r o m , i i l 线端u 存贮器 三 高温触发，t h 1 _ 一 ： 电源供j 衄 低温触发，t l 传感器 8 位c r c 发乍器 图2 2d s l 8 8 2 0 功能框图 d s l 8 8 2 0 中存贮器结构如图2 2 所示，存贮器由一个高速暂存r a m 和一个非易 失性，电可擦除r a m 组成，后者存贮高温度和低温度触发器t h 和t l 。数据首先写 入暂存存贮器，在那罩它可以被读回。当数据被校验之后，复制暂存器存贮器的命令 把数据传送到非易失性r a m 。 s c r a t c h p a d t e m p e r a t u r el s b t e m p e r a t u r em s b t h u s e r b y t el t l u s e r b y t e 2 r e s e r v e d r e s e r v e d c o u n tr e m a i n c o u n tp e r c r c d s l 8 8 2 0 温度计算公式如下： t e m p r a t u r e ( ：, , 儡度) = t e m p 一 图2 3d s l 8 8 2 0 存贮器结构 read一025+(count_per_c-count_remain) c o u n t p e r c ( 2 1 ) 7 m 一 淝一 胜 一嘶锄一 蔓 e盯 o ，2 3 4 57 8 b 频率测量模块设计 袁2 2 温度数据关系 温度二进制输出十六进制输出 + 1 2 5 0 0 0 0 0 0 0 01 11 l1 0 1 00 0 f a h + 2 5 0 0 0 0 0 0 0 00 0 11 0 0 1 0 0 0 3 2 h + 1 2 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0l0 0 0 1 h + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 h 一1 2 1 1 1 1 1 1 l ll l l l l l l lf f f f h - 2 5 l l l l l l l l 1 1 0 0 l l l 0f f c e h - 5 5 1 1 1 1 1 1 1 l1 0 0 1 0 0 l o f f 9 2 h 2 1 2 编码功能实现 由于d sl8 8 2 0 自带了比较完善的编码操作功能，对于携带该设备的传感器只需 要按照芯片的的内存操作流程即可顺利实现编码。 每一个d s l 8 8 2 0 包括一个唯一的6 4 位长的r o m 编码。丌始的8 位是单线产品 系列编码，接下来的4 8 位是唯一的序列号。最后的8 位是开始5 6 位c r c ，其中序 列号是可以作为识别产品身份的唯一标识的，它支持2 4 8 个不同编号，通过d s l 8 8 2 0 的此项功能，可满足传感器编码功能的需要。 d s l 8 8 2 0 的功能需要按照一定的操作流程来完成，r o m 操作协议未被满足前， 其控制部分的功能是不可访问的。在成功地执行了r o m 操作序列之后，d s l 8 8 2 0 特 定的功能便可访问乜】。 s 位c 坨编号4 8 位序列号8 位产品系列编码 m s b l s bm s bl s bm s bl s b 图2 46 4 位激光r o m 通过d s l 8 8 2 0 实现传感器编码流程如图2 5 所示： 频率测量模块设计 图2 5d s l 8 8 2 0 编码功能操作流程 2 2 弦振测频的基本原理 2 2 1 弦振传感器简介 弦振传感器是一种利用钢弦频率随其张力变化的原理制作而成的应力测量器件， 它结构简单，牢固耐用，在受到外部激励之后可以返回频率信号，抗干扰能力强，非 常适合桥梁、大坝的安全监测工作。 在工程应用中，传感器一般是在施工时被预埋在指定的建筑物体内，由混凝土将 其粘连，在建筑物受力时，传感器也会发形变，造成内部钢弦固有频率的变化，此时 通过外部测量设备对以施以激励，然后检测返回信号便可测得建筑物受力状况。 9 频率测量模块设计 图2 6 弦振式传感器 弦振传感器一般分为两种形式：一种是双线圈，分别为激振线圈和拾振线圈，激 振线圈用于让钢弦振动，拾振线圈用来把弦的机械振动转换为同频率的感应电动势； 一种是单线圈，这种传感器将激励线圈和拾振线圈合并为一个线圈，采取先激振然后 拾振的方法进行测频，简化了设备结构，使用较为广泛。 单线圈弦振传感器工作原理如图2 7 所示。 图2 7 单线圈弦振式传感器工作示意图 其数学模型为： = 寺在 眨2 ， 其中，f 为钢弦的自振频率，h z ；0 为钢弦的应力，k n m 2 ；1 为钢弦的有效长度， m ；p 为钢弦材料的密度，k g * s 2 m 4 。 传感器所受压力与其输出频率之间的转换公式为： 1 0 _-_-_-_-_i_i_i 频率测量模块设计 只= 七( i o ：一z 2 ) ( 2 3 ) 其中，p 。为某时刻作用在承压膜上的压力；k 为传感器系数；f o 为零压力下的输 出频率；f ；为对应于p 。的输出频率。 2 2 2 弦振传感器的工作特性 弦振传感器与一般应力传感器相比，没有零漂，可以进行温度修正，非常适合长 期监测，在测量过程中影响传感器工作特性的因素通常包括三个方面： 1 钢弦长度对测量精度的影响 主要包括由于应变、温度等原因而造成的长度变化，以及振弦长度选择的影响。 ( 1 ) 应变、温度的影响 当振弦内部存在应变时或受温度影响时会造成振弦长度与内部张力的变化，此时 式( 2 2 ) 变为： 石= 等乎 亿4 ， ( 2 ) 振弦长度的选择 由公式( 2 4 ) 可以得到： 卜去万= 脚 ( 2 5 ) 由上式可以看出，k 是一个与传感器灵敏度系数同向变化的量，钢弦长度的平方 与k 成反比，长度越小，传感器灵敏度越高。但长度过小，又会导致测量误差升高， 使测试精度受到影响，一般需要根据实际情况确定振弦长度口3 。 2 温度对测量精度的影响 当环境温度一定时，钢弦的张力与应力变化成固定的对应关系，随着应力的变化， 钢弦的张力也会相应的发生变化。但如果没有应变产生而温度存在变化时，也会使 钢弦的张力随之变化。温度升高，张力就降低，温度降低，张力则升高。鉴于这种 频率测量模块设计 情况，这时候就没有办法分辨频率变化究竟是由外界温度变化还是由外界形变引起 的。所以就应该考虑钢弦热膨胀和应力变化同时存在的情况，公式( 2 6 ) 即为在这种 情况下振弦应变传感器的基本运算公式： 弘筹 t a = k , f a j 2 + m ( 2 6 ) 占= ，。+ = 。+ 口 尉。 r 9r 、 其中：f i 嗍弦单位长度的质量； e 一钢弦的弹性模量； 枷弦的截面积： 0 c 一振弦会属材料的热膨胀系数； t - 一温度变化。 3 钢弦弹性模量的影响 对于埋入式的传感器，由弹性模量不一致引起的测量误差公式为： 血二生1 0 0 ：! ! ! 二墨! 垦2 1 0 0 qi + c e , 疋 ( 2 7 ) 舯( 1 - , u 2 ) 半； r 被测物体的真实应变； 锄传感器的计算应变； e s 钥弦的弹性模量； e c 被测物体的弹性模量； 卜传感器套简直径； 被测物体的泊松比。 由公式( 2 7 ) 可以看出，振弦的弹性模量e 越高，传感器的灵敏度越高。 频率测量模块设计 2 2 3 弦振传感器的测量方法 要使弦振传感器返回频率信号，就必须对其施加激励，老式设备一般是通过变压 器升压，由可控硅控制高压脉冲并将其释放至传感器线圈，脉冲信号加至线圈时产生 脉动磁场，由此使得钢弦振动。这种方法结构简单，起振迅速，但需要变压器升压， 设备体积较大，而且由于高压脉冲会干扰一部分返回信号，导致衰减返回的频率可测 量时间较短，从而影响其测量精度。 扫频激振技术则可较好的解决以上问题，它是通过采用一连串的频率信号扫描输 出去激励弦振传感器的激振线圈，当信号的频率和钢弦的固有频率接近时，振弦能够 迅速达到起振状态，可靠起振，它在线圈中产生的感应电势的频率即是振弦的固有频 率。通常扫频技术要求输出的频率连续，采用专用的函数信号发生装置即可满足要求。 弦振传感器可靠起振之后，返回信号经过拾振电路滤波放大转变为单片机可以直 接识别的电平信号再通过等精度测量的方法得到频率值。 2 3 扫频激振部分设计 2 3 1 频率发生部分设计 测量弦振式传感器必须先要使其激励振荡，在起振荡之后才能获得其返回的频率 信号。这个过程通常分为高压脉冲激励和频率扫描激励，与扫频方式相比高压激振需 要变压器升压，体积较大而且单次测量时间较长，整体电路实现相对复杂，因此本设 计采用扫频的方法来实现传感器起振。 扫频功能的实现需要连续的频率发生装置，使用单片机软件编程的方法难以产生 连续的频率输出，采用专用的频率信号发生装置i c l 8 0 3 8 可满足要求。 i c l 8 0 3 8 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，在实际使用的时候只需 要调整个别的外部元件就可以产生从1 h z 3 0 0 k h z 的具有低失真度特性的正弦波， 三角波，矩形波等脉冲信号，范围可以达到2 9 8 ，i c l 8 0 3 8 的引脚接口示意图 如图2 8 所示n 1 。 频率测量模块设计 正弦波线性调节 正弦波输出 三角波输出 恒流源调节 恒流源调节 j r 电源v s 4 5 v s 牲准 n c n c n ：弦波线性调节 负电源或接地 v s 电位 方波输出 调频控制输入端 图2 8i c l 8 0 3 8 的管脚排列 其中，8 脚为频率调节电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成f 比。引脚7 输出调频偏置电压，数值是引脚7 与电源+ v c c 之差，它可作为引脚8 的输入电压。 i c 8 0 3 8 的典型应用电路如图2 9 所示。 g l o k l o o k 图2 9i c l 8