（测试计量技术及仪器专业论文）对便携式索力测试的arm智能系统的研究与开发.pdf

摘要 本课题组耗费两年时问，独立研究开发了一套测试缆索张力的便携式智能仪 器。本组对索力测试仪器的测试设备、测试方法和测试理论均做了一定的修正和 改进，取得了理论和实践两方面的实际成效。本人为该组两个开发人员之一，独 立完成了测试方法的设计与实现，测试软件的编写，传感器匹配电路的实现；参 与完成了系统功能硬件的实现和测试理论的研究。该项目于2 0 0 5 年1 2 月成功通 过了江苏省科技厅科技成果鉴定。 测试设各方面，本仪器采用先进的3 2 位s c ( 精简指令系统) 芯片a r m ( 具体型号：韩国三星公司出品的s 3 c 4 4 8 0 ) 作为微处理器。该微处理器完成 对系统设备的智能化管理以及对数字信号的有效处理。目前，以单片机或d s p 芯片作为处理器的智能化索力测试仪器在国内已有一些初级的实验室产品和工 用产品。而基于a r m 芯片的索力测试仪器却是一种全新的实验尝试。实践证明： 该仪器系统具有更高的可靠性和实用性，值得业界开发和推广。此外，本组设计 并实现了针对性很强的传感器匹配模块，完备的电信号处理模块以及稳定的电平 供给模块。这三大模块在硬件基础方面，保证了该仪器的精确测量。其中的高清 晰度液晶屏和十六个行列式键盘还保证了人机交互的友好性。所有的硬件元件被 妥当的安置在一个金属硬铝机盒内( 尺寸：2 5 0 x1 9 0 5 0 ) ，满足了现场测试的 要求。 测试方法方面，采用了超大量点数( 4 0 9 6 ) 的f f t ( 快速傅里叶变换) 程序 和较低的采样频率( 5 0 赫兹) 实现较高的频率分辨率( 1 0 - 2 赫兹数量级) 。采用 前置放大器和高位( 1 0 位) 模数转换器相结合的方法实现了对传感器产生的微 弱信号的有效识别。并采用程控放缩和分屏显示技术对一定范围内的不同幅度、 不同频率的信号进行有效显示，得到了比c a t 系统的电脑显示器更优质的显示 效果。最后，改进已有方法，设计了有效的主频识别法，使智能系统对所得频谱 信号中的各阶主频自动识别，同时剔除低频噪声的影响。 测试理论方面，改进振动法测试缆索张力的理论，采用“偶固频差法”在理 论公式上消除缆索刚度的影响，提高了由主频推算索力的正确度。 关键词：索力，a r m 系统，主频智能识别法，偶固频差法 a b s t r a c t 刚sp r o j e c tt a k e st h er e s e a r c ht e a mt w oy e a r st oi n d e p e n d e n t l yd e v e l o pas e to f p o r t a b l ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n to nt e s t i n gt h eb r i d g e sc a b l et e n s i o n i nt h ec o u r s eo f d e v e l o p m e n tt h et e a mh a ss u c c e s s f u l l ya m e n d e dt h et e s t i n ge q u i p m e n ta sw e l la st h e m e t h o d s ，a n dh a si m p r o v e dt h et h e o r yo f t e n s i o nt e s t i n g ia l y lp r o u dt ob eo n eo f 也e t w od e v e l o p e r s i i ld e c e m b e r2 0 0 5 t h i si n s t r u m e n tw a sa n n o u n c e da st h ep r o v i n c i a l t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n ti nj i a n g s up r o v i n c e s o 缸a st h e e q u i p m e n ti sc o n c e r n e d a3 2 - b i tr s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) i n t e l l i g e n tc h i pc a l l e da r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e li sc h o s e na si t s m p u ( m i c r op r o c e s su n i t ) a r mc a nb o t hm a l l a g et h ew h o l es y s t e ma u t o m a t i c a l l y a n dd 0d i g i t a ls i g n a lp r o c e s se f f e c t i v e l y a tp r e s e n t i nt h ed o m e s t i cr e l e v a n tf i e l d s t h e r ea r es o m ej u n i o ri n d u s t r yp o r t a b l ei n t e l l i g e n tp r o d u c t sa sw e l la ss o m el a bo n e s 。 w i t hs c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) o rd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s la st h e i rm p u h o w e v e r , t h ep r o d u c tb a s i n go na r mh a sn o td e v e l o p e dy e t b ye x p e r i m e n t s ，i th a s b e e np r o v e dt h a tt h i si n s t r u m e n ti sm o r er e l i a b l ea n dm o r ep r a c t i c a ls ot h a ti t sw o r t h y o fr e c o m m e n d a t i o ni nt h er e l e v a n tf i e l d w h a t sm o r e t h et e a mh a sd e s i g n e da n d r e a l i z e dt h r e em o d u l e sf o rt h i si n s t r u m e n lw h i c hr e s p e c t i v e l ya r em a t c h i n gm o d u l e f o rs e n s o r ( a c e e l e r o m e t e r ) ，p r o c e s s i n gm o d u l ef o re l e c t r i cs i g r 出a n dm o d u l a t i n g m o d u l ef o rp o w e rs u p p l y t h ei n t e g r a t o ro ft h e s et h r e em o d u l e sp r o v i d e sas o l i d h a r d w a r ef o u n d a t i o nf o rp r e c i s et e s t i n g t h el c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) w i t hg r e a t p i x e l sa n d1 6 k e y b o a r dm a t r i xm a k et h em a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o nm u c he a s i e r a t l p a r t so ft h i si n s t r u m e n ta r ei n s t a l l e di nas p e c i a lm e t a lb o x ( 2 5 0 1 9 0 5 0 ) ，s oi to a r m e e tt h ed e m a n d so f f i e l dt e s t i n g i no r d e rt og e tp r e c i s ef r e q u e n c y , 4 0 9 6 一d o tf f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) a n dl o w f r e q u e n c ys a m p l i n g ( 5 0 h z ) a r ea d o p t e d t h e r e f o r e ，t h i si n s t r u m e n tc a r tt e l l1 0 2 h za t m o s t t h ei n t e g r a t o ro fp r e a m p l i f i e ra n d1 0 b i ta d c ( a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o n ) i s a b l et or e c o g n i z et h ef a i ms i g n a lp r o d u c e db yt h es e n s o r ，i kt e c l m o | o g i e so fz o o m d i s p l a ya n ds w i t c h i n gd i s p l a yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns h o w i n gt h ev a r i o u ss i g n a l so f d i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n dd i f f e r e n ta m p l i t u d e s t h a n k st ot h e s et w ot e c h n o l o g i e s ，t h e l c do ft h i si n s t r u m e n tc a nd i s p l a yb e t t e rc u r v e st h a nt h es c r e e no fp c ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) d o c s f i n a l l y , a d a p t i n gf r o mt h ee x i s t i n gm e t h o d ，am o r ee f f e c t i v em e t h o d h a sb e e nd e s i g n e dt om a k et h i si n t e l l i g e n ts y s t e mt e l lt h em a i nf r e q u e n c i e so ft h e s i g n a la n de l i m i n a t et h el o w - f r e q u e n c yn o i s ea u t o m a t i c a l l y w i t hr e g a r dt ot h et h e o r y , t h ev i b r a t i o n b a s e dc a b l et e n s i o ne v a l u a t i o ni sn o ts u i t a b l e f o ra l lc a b l e s ，e s p e c i a l l yt h eo n e so f g r e a ts t i f f n e s s s ot h et h e o r yo f m a r g i nb e t w e e n e d e ni n s t i n c t i v e f r e q u e n c i e sh a sb e e na p p l i e dt oc a l c u l a t et h et e n s i o no f s u c hc a b l e s ， w h i c hc a nr e m o v et h ei n t e r f e r e n c eo f t h es t i f - f n e s sa n da c h i e v eam o r er e l i a b l er e s u l t k c yw o r d s ： c a b l et e n s i o n , i n t e l l i g e n tm a i nf r e q u e n c i e st e l l i n g ， a r m s y s t e m , m a r g i nb e t w e e ne v e ni n s t i n c t i v ef r e q u e n c i e s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：拦蜜导师签名：洫日期： 第一章绪论 1 1 缆索张力检测的意义 第一章绪论 缆索，最初是一种用于拖带船舶的绳索。后来被广泛应用于桥梁架设之中。材质也由 麻绳变为钢丝。随着经济的发展，各种桥梁大量出现在江河湖海之上。其中斜拉桥，悬索桥 因为其桥墩少，架设相对快捷，式样轻盈美观等优势，成为现代桥梁的首选。目前仅长江之 上就有斜拉桥、悬索桥二十余座。对此类桥梁而言，缆索是最主要的受力部件。在此类桥梁 的施工过程中，必须准确测量缆索张力才能保证工程安全和施工控制的顺利，因此在架设缆 索前需要对缆索张力进行检测。另一方面，在此类桥梁的使用过程中，缆索往往由于腐蚀和 振动等原因受到损害，导致缆索的张力松弛，给桥梁带来灾难性的后果。所以在架设完毕后， 也要对缆索张力进行定期检测，以确保缆索式桥梁的安全可靠，避免重大工程事故，保护人 民生命财产安全。 1 2 缆索张力检测的现有方法和发展情况 ( 一) 压力表测定法“。 缆索通过液压千斤顶张拉架设。千斤项的张拉油缸中的液压和张拉力有直接的关系，所 以测定张拉油缸的液压，就可求得索力。压力表测定法是施工过程中控制索力最常用的一种 方法。但它只限于在施工中测量。无法测量已张拉完毕的拉索。 ( 二) 压力传感器测定法 张拉时，千斤顶的张拉力通过连接杆传到缆索锚具，在连接杆上套一个穿心式的压力传 感器，张拉时处在千斤顶张拉活塞和连接杆螺母之间的传感器，在受压后就输出电信号，于 是就可以在配套的二次仪表上读出千斤顶的张拉力。如需长期测定索力。也可以将穿心传感 器放在锚具和索孔垫板之间，进行在线监测。但是，压力传感器特别是大吨位的传感器售价 相当高，自身重量也大，而且压力传感器的输出结果存在较大漂移。将它作为固连器件固定 在缆索中作长期监测，显然既不实用也不准确。 ( 三) 应变计法 在缆索中内置应变计。张力使缆索形变，应变计测出该形变。然后换算成相应的张力。 但实践表明这种方法并不可靠。 ( 四) 振动法 振动法是目前工程施工中用的最多的一种方法。由于缆索张力和缆索振动频率之间存在 着固有的关系。因此可以通过测量振动频率来间接测量缆索张力。这种方法测量简便，不需 要更改缆索的张拉结构，因此够在缆索架设完毕后对其进行张力测量。该方法测量误差可以 控制在5 以内，基本满足工业测量要求。该法为目前最为普及的缆索张力测试方法。 1 3 基于振动法的缆索张力测试仪器简介 应用振动法测缆索张力的仪器可分为两大类：基于p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r 个人电脑) 的c a t ( c o m p u t e ra c c e s s o r i a lt e s t 爿- 算机辅助测试) 测试系统和基于智能芯片的便携式测 东南大学硕士学位论文 试系统。两者各有千秋，后者是发展的大势所趋。 c a t 系统借助于p c 机内置c p u ( 如i n t e l 奔腾) 以及各种辅助的软硬件资源实现完整的测 试系统。它的优势在于：1 、实现相对容易不需另外设计硬件电路，软件开发可以在功 能软件( 如m a t l a b ，l a b v i e w 等) 的基础上进行二次开发；2 、系统可靠性高；3 、图形显示 清晰美观等。缺点在于：1 、成本高( 4 0 0 0 i 0 0 0 0 元，下文均以人民币计算) ：2 、设备庞大 沉重；3 、需要外部交流电源。虽然笔记本的出现有效的解决了电源问题，但是进一步增加 了成本。总之。c a t 系统的最大缺陷在于设备过于庞大和性价比过低例如福州大学硕士陈 刚开发了一套缆索张力测试系统。该系统的现场测试照片如图1 1 所示”1 图1 1c a t 系统设备实物图 随着芯片技术的完善和发展，智能芯片的功能日趋强大，一块指甲盏大的智能芯片可以 集成存储器，串并口，模数转换器，定时器，脉宽调制( p w m ) ，“看门狗”等硬件，并支 持外部硬件的扩展。运算速度也大大提高，每秒可以运行到几百兆甚至上亿次指令。因此开 发基于智能芯片的测试系统是完全可行的。但是这种系统的开发比较复杂，从硬件到软件都 需要个人开发，可直接利用的资源比较稀少。因此目前基于智能芯片的测试系统还不多见。 即使有，售价也不菲。下表罗列出目前国内外已经开发出的测频仪器”1 。 厂家型号测量振幅范围频率范围 其他特征参考价格f ( h z )兀 日v m 6 3 加速度： 1 0 - 1 0 0 08 5 0 0 太 0 1 - 1 9 9 9 m s s 理速度： 音 0 o l 一1 9 9 9 m s 公位移： 司0 0 0 1 一1 9 9 9 m m v m 6 7 同上3 1 7 2 5 超小型6 0 9 9 8 0 0 3 2 2 7 5 v a l l加速度：3 2 0 k 可存储5 0 0 组数据不详 0 0 2 - 3 1 6 m s s3 - - 3 k可作f f t 分析并显示图形 速度：0 1 - 1 0 0 0 m s3 5 0 0 可与p c 机，打印机通讯 位移： 0 0 0 3 - 2 8 3 m 2 第一章绪论 北h g - 2 5 0 8同v m 6 3 低频：l o 带温度测量 7 0 0 0 一 尿 l k 京高频：l k 航l o k h g - 2 5 0 4 同v m 6 3同上5 9 0 0 东 z x p - s b 速度：o - - 7 0 m m s1 5 5 0 02 4 5 0 大位移：0 一l o o o u m 1 5 - 2 0 0 测z x p 一6 3同v m 6 31 0 - 1 0 0 0 不详 振1 0 - 5 0 0 仪1 0 - 5 0 0 器 厂 北 g z - t a 加速度：0 3 - 1 5 k5 0 0 0 一 尿0 0 1 一l o o m s s 测速度：0 0 0 1 一l o m s 频位移：0 0 0 1 一l o m m 仪g z 4 b 加速度： 1 0 - 5 0 01 8 8 0 器0 3 5 0 l n s s 厂速度：0 0 1 - 1 0 m s 位移：0 3 - 1 0 0 0 u m b z 8 7 0 1 同v m 6 3 1 0 - 1 0 k 3 5 0 0 时t v l 0 0同v m 6 3i o - i o k可打印7 7 0 0 代 i o - i k 可存储l o 个测量值 集1 0 5 0 0 6 5 0 9 重 团t v l l 0 同v m 6 3同上可打印测量值及加速度 频谱，可设界限，超界自 动报警，可存1 0 0 个测量 值和1 0 个幅频谱 t v 2 0 0速度：1 0 一l k 0 1 0 1 9 9 9 m s 伊 e m t 2 2 0 同v m 6 3同v m 6 32 0 0 9 重3 9 8 0 一 麦系列 4 5 8 0 特 北振通9 0 8加速度： 2 5 0 9 2 9 5 0 一 尿0 3 - 5 0 m s s1 0 1 k 振速度：0 0 1 一l o m s1 0 一5 0 0 通位移：0 3 - 1 0 0 0 u m 振通加速度： l o - 5 k 显示振动波形6 9 3 0 9 1 0 c 0 1 - 2 5 0 n n s s 1 0 一l k 可存储1 0 0 0 组数据 速度：0 0 1 2 0 m s1 0 - 5 0 0 重l l o o g 位移：卜5 0 0 0 u m 振通9 0 2同上 1 0 l o k f f t 频谱分析1 7 0 0 0 存储2 4 0 组数据 1 2 0 0 9 重 3 东南大学硕士学位论文 东南李军不详1 一l o k1 0 2 4 点f f t 尚未投产 大学基于d s p 智能芯片 有键盘输入和l c d 输出 北京郑红不详1 一l o k1 0 2 4 点f f t 尚未投产 航空基于d s p 航天 大学 从罗列的概况可以看出，此类测频便携仪器，除了价格昂贵之外，还存在测试频率下限 过大，频率分辨率过低，数据存储器缺失或太小，以及人机交互薄弱的通病。对于大架构缆 索而言，其主振频率是超低频信号，需要仪器有很高的频率分辨率对其分析，并需要采集大 量的数据做f f t 谱分析。这些都是市场上现有仪器所缺乏的。此外，测试系统还需要高质量 的输入键盘和显示设备，以满足即时输入参数和显示振动波形图和频谱图的要求。因此有必 要开发一套基于智能芯片的便携式缆索张力测试系统，达到分辨率高，存储量大，成本低廉， 人机友好，性能稳定，携带方便的技术要求。本人即从实际需求出发与人合作开发了一套 基于振动法测试缆索张力的便携式系统。本论文对此系统的理论依据，结构功能，测试效果， 成本结算，优缺点归纳，发展前景作了详细论述。 1 4 本系统的中央微处理芯片( m p u ) 选型 m p u 是便携式智能测试系统的核心，是决定系统性能的关键。在选择智能芯片时，要根 据待测系统特性选择最合适的品种才能实现最优秀的智能测试系统，而不应一味追求最先进 的芯片。 目前可以作为删的通用智能芯片可以分为三大类；单片机，d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 数字信号处理器) ，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 高级精简指令系统处理器) 。 三种芯片各有优劣，各有自己最适合的场合。因此如何扬长避短，选择最适合本系统的智能 芯片是十分关键的一步。 单片机是应用最早最广且最廉价的智能芯片( 例如，m c s 5 1 ：8 元) 。它在早期的和低精 度的便携式系统中被大量使用。它的缺点是：1 、接口少( m s c 5 1 仅有4 个8 位并口) ，不适合 复杂系统的管理；2 、速度慢( m c s 5 1 的指令周期是1 微秒) 。 d s p 顾名思义是专门针对数字信号处理的智能芯片。它的最大优势在于运算速度高：指 令周期约为0 0 1 微秒，且具有专用硬件乘法器，可实现单指令周期内完成一条乘法运算。 而单片机和a r m 都要通过多个指令周期才能完成一条乘法运算。f f t ( 快速傅立叶变换) ，i i r ( 无限冲击响应) 和f i r ( 有限冲击滤波) 等数字信号处理算法的核心就是大量的乘法运算。 因此在处理p f t 或f i r 时，d s p 具有无可比拟的速度优势。因此一般涉及f f t 运算的便携式 系统都会习惯性的选择d s p 。例如，东南大学硕士李军以及北京航空航天大学硕士郑红均采 用d s p 芯片进行便携式系统开发。d s p 的缺陷在于它的外部接口亦十分有限，外扩硬件设备 比较困难。为实现完备的人机交互和脱机运行，工程人员不得不辅以c p l d ( 复杂可编程逻 辑器件) 或高级单片机，对各硬件另行管理；这样不仅增加开发成本和难度，而且降低了系 统的可靠性。 a r m 是近年来兴起的3 2 位高级智能芯片。它亦具有很高的运算速度( 最小指令周期为 0 0 0 8 微秒) 。还具有丰富的接口资源。并能够运行uc o s i i 这种源代码开放的操作系统， 可调用其中的任何资源而不会侵犯知识产权。它的典型应用领域是通讯、网络和消费电子等。 4 第一章绪论 反观缆索张力测试系统中l i p u 的特点；l 、为实现脱机运行，必须增加许多硬件单元， 所以要求i i p u 具有大量的硬件接口。2 、作为带图形显示的仪器，要求m p u 支持优良的| 鳘j 文 显示。3 、为满足高分辨率要求需要馓4 0 9 6 点f f r ( 后文将有详述) 。特点3 似乎要求m p u 具有d s p 一般的i 断速乘法运算能力。但实际情况是：测试对象是一个低频信号( 感兴趣的频 率信号为1 5 h z 以内) 。为满足高频率分辨率的要求需要以很低的采样频率采集大量点。采样 本身就占用很长时间( 本系统采样时间为8 2 秒) 。而f f l 运算因为m p u 的不同而产生的延时 仅为一秒数荦级，这相对于漫长的采样对问是可以忽略不计的。此外，本系统是个铡试系统。 不要求实时反馈控制，因此能否高速运行f f t 对本系统m p u 而言是无关紧要的。 a r m 正好符合以上三个特点。以韩国三星公司出产的a r m 芯片s 3 c a 4 b o x 为例。该芯片具 有连接s d r a m ( 静态读写存储器) ，f l a s h ( 掉电不失型闪存) ，j t g ( 联合测试行动组接口) ， l c d ( 液晶屏) 等接口，还具有s i o ( s y n c h r o n o u si n p u to u t p u t 同步输入输出总线) ，i i c ( i n t e g r a t e di n t e r f a c ec i r c u i t 集成接口电路总线) 等总线以及四个外部中断等等。完全满足 外扩各种硬件的需要。该芯片可以运行pc - o si i 操作系统。本系统不涉及网络应片j ，因此无 需调h j 完整的操作系统。但是，i jc - o s l i 操作系统中有一个强大的字库( 该字库依照g b 2 3 1 2 编写) ，包含所有常用的汉字，字母和字符。s 3 c 4 4 b o x 可以随意调用其中的内容而不增加开 发难度。这十分有利于增加l c d 显示内容的信息含量。s 3 c 4 4 b o x 的指令周期是o 0 1 5 微秒， 与d s p 芯片相仿。虽然在f f t 运算方面略逊一筹，但己完全能满足高效运算的要求。 综j ：所述，a r m 是最适合缆索张力测试系统的m p u 。本系统采用a f t 4 芯片s 3 c 4 4 b o x 。 1 5a r m 体系结构简介 a r m 是一款而向低预算市场的r i s c ( 精简指令系统) 微处理器。它集成了1 b 常典型的r i s c 结构特征“1 ： 具有人域的寄存器( a r m 7 构架具有3 7 个) ，寄存器是c p u 内部的高速存储器； 具有统一的存储器文件； 符合加载存储结构，数据处理只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作； 寻时换式简单，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容决定： 使h j 统一和f 坷定长度的指令域，简化了指令的译码； 地自r 白动增、减的寻址模式实现了稃序循环的优化； 多寄存 加载和存储指令实现了最大数据吞吐量 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。 这些基本r i s c 结构上的特性使a 腽处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小尺寸方 面取得了起好的平衡。 r m 7 t 附i 是目前低端a 跏内核。使用了冯诺依曼结构，指令和数据共，玎3 2 位总线。 数据町以是8 位字敝1 6 位半字或3 2 位字。 a r m 7 系州处理器具有以f 主要特点”1 ： 功耗低 代码密度高，与1 6 位微处理器兼容 开发i ：具众多( 例如a d s ) 优秀的调试机制( 如a x d ) 监界众多领先的i c 制造商生产此类芯片( 例如菲利普，三星等) 能运行uc o s i i 或l n i x 操作系统 a r m 微处珊器避及各类电子产品，汽午、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络、 东南大学硕士学位论文 安保和无线等市场。1 9 9 9 年，市场上采用a r m 核的芯片数量达到1 8 亿；2 0 0 0 年，发货量 达到4 亿。a r m 的1 6 3 2 位嵌入式处理器技术是世界上应用最为普遍的微处理器结构，2 0 0 0 年拥有7 6 8 的r i s c 市场份额，近几年继续增长，几乎已经垄断了全球r i s c 芯片市场， 成为业界实际的r i s c 芯片标准。业界人士纷纷认为，基于a 删的技术方案是最具市场前景 和市场优势的解决方案。 应该说a r m 的典型应用领域是通讯、网络和消费电子等。在测试系统尤其是缆索振动测 试系统中的应用尚无先例。本系统在缆索振动测试方面对a i i l l 应用做了尝试性开发，取得了 良好的科研成果。 1 6 本论文内容简介与结构设置 论文研究的是在环境激励下，利用改进振动法测量缆索张力的便携式智能系统。该方法 是通过分析缆索振动信号中的各阶主频，来推算缆索张力。它的特点在于必须精确获知各阶 主频这个中间量，然后利用正确合理的推导公式，才能正确的计算出缆索张力。因此想提高 测量精度可以从两方面着手：一是提高从振动信号中提取各阶主频的精确度；二是提高从各 阶主频推算缆索张力的正确性。两个方面相辅相成，但又相对独立。前者涉及到测试方法的 设计优化及其软硬件的实现。后者涉及到理论公式的完备推导及其软件的正确实现。此外， 作为测试的载体，一个具有很强针对性的便携式智能测试系统也是必不可少的。通过对系统 软硬件的最优配置提升它功能上的优越性。本论文对这三方面本人所做的实际工作进行详尽 论述。后续章节具体安排如下。 第二章主要论述振动法的相关力学推导公式。首先介绍普通振动法测试张力的力学原 理，计算公式t = 4 2 厂2 的相关推导。然后介绍考虑q 缆索垂度、抗弯刚度影响后，对振 动法做出改进得到的修正振动法- 振动偶固频差法的相关公式。并详细论证该公式如何提 高缆索张力计算的正确度。 第三章、第四章主要论述该测试系统的软硬件实现。本系统不仅具有完整的信号处理模 块，还具有内置的独立供电模块以及传感器匹配模块。无需任何外部辅助设备，真正实现了 独立运行，满足了现场实测的要求。这两章将详细介绍这三大模块的实现细节，以及各个细 节所体现出的很强的针对性和较高的优越性 第五章主要论述了本系统在测试技术方面的改进和提高。主要通过以下三点软硬件优化 提高频谱分析精确度。i 、采用前置放大器，高位模数转换器( a d c ) 结合的方法有效的扩大 动态范围。采用程控放缩技术扩大l c d 图形显示范围。适应有效识别微幅振动信号的要求， 解决l c d 显示范围和显示精度之间的矛盾。2 、通过降低采样频率，增加采样点数的方法， 以超大量点( 4 0 9 0 ) f f t ( 快速傅里叶变换) 实现信号频率分辨率的提高。3 、改进已有方法， 提出“主频个数屉多”法实现系统对各阶主频的自动精确识别，并对低频噪声干扰自动剔除。 第六章为系统测试报告。给出该系统的实际测试精度。 最后一章总结了该系统所取得的科研成果，并论述了系统存在的不足和发展空间展望。 最后是附录，罗列了该系统各主要零件及其价格清单。以及相关的软件程序和硬件电路 图 6 第一章绪论 1 7 本系统的测试流程及其信号流图 本系统测试步骤是：首先通过压电式加速度传感器，将缆索振动的加速度信号转换为时 域电压信号。然后通过模数转换器( a d c ) 将其转化成时域数字信号，并将波形图同步显 示在液晶屏( l c d ) 上。再由f f t 将该时域数字信号转化成感兴趣的数字频谱信号，并将 频谱图同步显示在l c d 上。最后通过编写好的基频提取程序，系统自动从频谱图中分析提 取基频及相关主频。将该基频值保存在一个全局变量中，并且最后显示在液晶屏上。 两个参数：线密度p 和长度1 通过键盘输入。键盘输入的数据能够在液晶屏上同步显示， 并且被保存在相应的全局变量中。当参数输入完毕、基频被提取之后，本系统利用相应的计 算公式计算出缆索张力值，并在液晶屏上显示缆索张力值。 信号流图如图1 2 所示。 图1 2 缆索张力测试系统信号流图 7 东南大学硕士论文 第二章缆索张力振动法测量理论及公式推导 2 1 普通振动法的力学公式推导 图2 1 缆索单元受力图【，1 图t h t ：缆索单元受到的张力： s ：缆索单元受到的剪力； m ：缆索单元受至怕q 弯矩； o ：缆索轴向与张力之间的夹角； 轴y 方向为缆索振动方向； 轴x 方向为缆索轴线方向： 假设该缆索轴向线密度是p ； 根据轴y 方向受力情况建立力方稃： 弘( s + d s ) 打s m ( o + d o ) - ts i n ( 啦p + 等 因为缆索单元所受到的张力与缆索轴向角度偏移。足接近零的 况，将该角度值放大) 。由三角函数的极限可知： s i n ( 0 ) ：9 ：坐 代入2 1 式可得： 一嬲d c 警矿出t 睾 ( 2 0 ) 个量( 图中为说明情 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 等式2 2 两边同时除以d x ，并考虑到y 足t ，x 的甬数，所以将y 对x 的导数改写为偏导数得 到： p 警+ 罢一r 警= 。 。， 利用关系式： o n 2 y ：丝 ， s ：皇竖将公式2 3 中的剪力s 替换为缆索刚度e t ，得到： 盘2 e l d x p 矿r 3 2 y + 日窘一r 窘= 。 心” 8 第二章缆索张力振动法测量理论及公式推导 假设缆索两端铰支，即有边界条件：x ( o ) = o ，“( 0 ) = o , x ( l ) = o ，x “( l ) = 0 ； 得到微分方程2 4 的解为： ，：4 f i 2 - _ p l 2 一；2 口。2 e i ( 2 5 ) l 三 其中，：是缆索振动的第i 阶主频。当缆索弯曲刚度比较小时，且分析的频率阶数不太高 时( 1 0 阶以内) ，可以忽略刚度带来的影响。等式2 5 可以改写成： t ：4 2 2 p l 2 ( 2 6 ) i 2 由公式2 6 丌j 知当缆索张力同定的时候，缆索振动的各阶主频是振动基频的整数倍。各 阶主频之问问隔恰好等于基频值。 为了测出缆索的自振频率，可将加速度计捆绑在桥索h 且使加速度汁与缆索轴向垂直 如图2 2 所示。 图2 2 传感器安装示意图” 此所测得的桥索的实际振动信号既包含1 r 索的基频振动，又包含了索的各高次谐振动 以及其它各种干扰。基频振动在弦中央处有最大振幅，而高次谐波振动在弦两端附近可以有 最大振幅。由于缆索很长，缆索中央处离地面很高，实测中受条件限制，传感器只能安装在桥 索靠近地面端附近处，传感器检取的信号中基频成分就相对较小，高次谐振成分相对较大，再 加上传感器频响的影响，造成在频谱图中基频不突出而高次谐振峰突出的现象。因此难以直 接找出基频，人们通常是利用各高次谐振峰来推算桥索振动基频。目前人们通常采用的办法 是利用频谱图中相邻两个谐振峰之间的频率差来求得基频。 测出缆索的基频值f l 后，再代入线密度p 和长度值l 就能计算出缆索张力值t 。 2 2 横向刚度的影响 公式2 6 是在忽略了缆索弯曲刚度影响的前提下，计算缆索的张力。但实际上，对于横截 面积与长度之比较大的粗短缆索而言，忽略弯曲刚度会对索力的测量带来较大误差。 由式25 变形可得 f 万( i 叱3 ，) i ( 27 ) 东南大学硕士学位论文 其中，d ：! ! 旦，对于同一根缆索，其长度，宜径是固定的，所以值d 是一5 - 常数。 f 从式2 7 可以看出，对于比较细长柔性缆索，d 值较小。因此，缆索各阶的主频之比近 似等于各自然数之比，于是采用近似公式2 6 计算索力不会造成太大的理论误差。例如，当 索长大于9 0 m 的柔性缆索，简化计算误差就降到4 以内”】。但是对于短索来说，由于存在 f ， 缆索剐度影响，d 值就不能忽略。因此，在某一个固定索力的作用下，7 不再是一个常 l 数，而是随着值i 的增加而增大。其各阶主频之比也不再是近似的自然数之比( 1 ：2 ：3 ：4 ) 了。采用公式2 6 计算会有较大的理论误差。 2 3 偶固频差法计算索力 振动法的本质的通过振动频率推算出缆索张力。所以采用哪个频率计算索力，直接影响 到索力计算的准确度。 对于细长的柔性缆索，是将振动的基频代入公式2 6 计算索力的。但是由于低频噪声的 影响，以及基频信号微弱这两个固有缺陷。工程应用中很难直接提取基频进行索力计算。因 此一般采用如下两种间接计算基频的方法。 1 频差平均法：由式2 6 可见，任意相邻的两个主频之间的差值够数值上都等于一阶 主频： a f , = z 一，一1 = 石 ( 2 8 ) 为了提高估算精度，可在谱图上取有限个m ( i - 1 2 nn 一般小于1 0 ) ，然后求得各颈 的平均值 硝= 一 i ：i 再将颤代入式2 6 即可求得索力t ( 2 9 ) 2 频商平均法：先求得各阶主频，与其对应的阶数i 之商的平均值 喜( 引 甩 撇悯值( 习靓s 椭虮 对于粗短刚性缆索，由前一节分析可知不能直接利用基频代入式2 6 计算索力。因此对 式2 5 做等价变换( 式2 6 是式2 5 的近似变换) ，代换掉其中的刚度因子，消除刚度对频率 推算索力的影响。 1 0 第二章缆索张力振动法测量理论及公式推导 具体操作是选用相邻的两个偶数价主频分别代入公式2 5 。然后消除所得的两个等式中 的同类项! ! ：丝。这样就得到以偶数价固有主频的平方差所表示的缆索张力。因此命名该计 p 算方法为偶固频差法。 如果选取第二阶和第四阶主频来推算索力则有 r ：尘鲤二蟹壁 ( 2 1 0 ) 1 2 如果选取第四阶和第六阶频率来推算索力则有 r ：堡! 篮二噬壁( 2 1 8 0 其余高价偶固频差法依此类推。 对于粗短缆索采用偶固频差法推算索力，可以从理论上确保计算的正确性。 东南大学硕士学位论文 第三章a r m 系统核心模块的软硬件实现 对于脱机独立运行的智能系统而言，软硬件可根据服务对象的不同分为两大模块：l 、 核心模块；2 、辅助模块( 下一章详细论述) 。a r m 系统核心模块是指电压信号处理模块。 服务对象是电压信号，主要功能是把模拟信号转变成感必趣的数字信号。包含如下几个主要 部件：1 、低通滤波器，2 ，采样保持及模数转换( a d c ) ，3 、中央微处理器m p u ( 本系统 为a r m ) ，4 、存储器( r a m 和r o m ) ，5 、液晶显示，6 、键盘。该模块是一般智能系统 所必备部件，因此在硬件设计方面具有一定通性。但是，不同的测试对象会对智能系统提出 不同要求，因此更需要根据具体情况进行有针对性的软件驱动设计以满足分析要求。本章将 详细论述各个部件的构造及实现。结构框图如图3 1 a 所示。a r m 与各部件实际接口示意图 如图3 1 b 所示。 o j l 田 静 田 r m e m 。i y 图3 1 a 核心模块结构框图 图3 1 ba r m 与各部件接口示意图 第三章a r m 核心系统的软硬件实现 3 1 低通滤波器 本系统所测试的缆索振动信号是典型的低频信号( 1 5 h z 以内) 。但实际测量中不可避免 的会有高频噪声的干扰。而且该高频噪声会由于f f t 分析频谱的对称性和周期性混叠到低 频信号中，对实测信号产生很大的干扰。因此系统在接受到传感器信号后必须首先进行低通 滤波将不需要的高频噪声滤除掉。 低通滤波器的转折频率设定为感兴趣信号频率中的最高频率，对高于该频率的信号要进 行有效去除。因为这样能有效防止频谱混叠，所以模拟低通滤波器又被称成为抗混叠滤波器。 频谱混叠是由于f f r 的功能缺陷产生的。f f t 只是连续傅里叶变换的一种离散化近似。 它会对所分析的频谱信号作关于频率原点的镜像对称，然后再作周期延拓。其原理如图3 2 所示。 假设做5 1 2 点f f t ，分析频率是1 h z d o t ，则5 1 2 点f f t 可显示l 5 1 2 h z 信号。并假设 被分析信号中含两个信号频率：有效信号频率4 h z ，和高频噪声信号5 1 0 h z 。理想情况下其 频谱图应该是两根离散谱线，如图3 2 a 所示。但是通过f f t 处理后这两根谱线的幅值缩小 一半，并被镜像复制到频率负半轴，如图3 2 b 所示。然后作以5 1 2 h z 为周期的周期延拓， 将负半轴的谱线延拓至正半轴，如图3 2 c 所示。显然5 1 0 h z 的噪声已经以2 h z 的伪频谱出 现在低频信号段。由此可见，如果不加模拟低通滤波器，高频噪声会混叠到低频段，成为低 数字通滤波器无法去除的低频噪声。而加入模拟低通滤波器后，这个2