（交通信息工程及控制专业论文）嵌入式桥梁坍塌监测系统设计与研究.pdf

摘要 随着经济的发展和桥梁的增加，桥梁监测越来越受到政府和工程界重视。桥 梁建成以后，由于受气候、环境因素的影响，结构材料会被腐蚀和逐渐老化，长 期的静、动力荷载作用，使其强度和刚度随着时间的增加而降低。这不仅会影响 行车安全，更会使桥梁的使用寿命缩短。对桥梁结构的健康状况进行检测与监测， 并在此基础上对其安全性能进行评估是桥梁运营日常管理的重要内容。 本文对桥梁坍塌监测系统进行了可行性分析，制定了系统的数据采集方案， 确定现场控制系统和远程数据传输的方式，并提出主控制室的架构组成，从而给 出了桥梁坍塌监测系统的总体设计方案。 主要研究了桥梁坍塌监测系统中的现场控制系统，确立使用具有强大的扩展 功能的飞思卡尔公司的m c f 5 2 7 2 嵌入式芯片作为核心处理单元。详细分析了硬 件系统的设计方案，硬件组成包括：( 1 ) m c f 5 2 7 2 主控系统的总体架构：复位电 路、s d r a m 、f l a s h 与b d m 接口等。( 2 ) l o o m 以太网接口和g p r s 通信模块。 ( 3 ) 串口扩展电路。 最后，结合实际情况选择了i _ t c l i n u x 操作系统作为现场控制系统的重要组成 部分，在介绍b o o t l o a d e r 的编译和开发原理的基础上，着重论述操作系统i ，t c l i n u x 的裁减、编译、移植和调试等的实现。 综上所述，论文完成了桥梁坍塌监测系统的总体设计，运用嵌入式技术搭建 现场处理控制系统，以实现对数据的处理与传输。 关键字：桥梁坍塌监测，嵌入式系统，m c f 5 2 7 2 ，心l i n u x 。 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n c r e a s i n go fb r i d g ey e a ra f t e ry e 虬t h e g o v e r n m e n ta n dt h ee n g i n e e r i n ga r ep a 如n gm o r ea t t e n t i o nt ot h em o n i t o r i n gf o rt h eb r i d g e a f t e rab r i d g eh a v i n gc o n s t r u c t e da n do p e n e dt ot r a f f i c ，i t sm a t e r i a l sw i l lb ed e t e c i o r a t e do r a g e dg r a d u a l l yf o rt h ew e a t h e ra n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r s , a n di t ss t r e n g t ha n ds t i f f n e s sw i l l d e g r a d eu n d e rt h el o n g - t e r mo fs t a t i s t i ca n dd y n a m i cl o a d ，t h u si tw i l ln o to n l ye n d a n g e rt h e s a f e t yo ft h et r a f f i c ，b u ta l s os h o r t e nt h el i f es p a no ft h eb r i d g e o nt h eb a s eo fb r i d g e s t r u c t u r a lm o n i t o r i n g ，s a f e t ya s s e s s m e n ti si m p o r t a n ti nb r i d g ed a i l ys e r v i c e t h et h e i sm a k e saf e a s i b i l i t ya n a l y s i sa b o u tt h eb r i d g em o n i t o r i n gs y s t e m i tw o r ko u t d a t aa c q u i s i t i o ns c h e m e a n dd e f m i t ef i e l dc o n t r o ls y s t e ma n dl o n g - d i s t a n c ed a t at r a n s m i s s i o n w a y t h e nt h ep a p e rp r o p o s e st h es t r u c t u r a lc o m p o s i t i o no ft h em a i nc o n t r o lr o o m s o ，i t g i v e st h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h eb r i d g em o n i t o r i n gs y s t e m a n a l y s e st h ef i e l dc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l i tp r e s e n t st h ew h o l ea n a l y t i cb l o c kb yu s i n g t h ef r e e s c a l ep r o c e s s o rm c f 5 2 7 2a st h ec p u t h ec h i ph a st h ep o w e r f u le x t e n s i o na b i l i t y t h ed e t m lh a r d w a r ed e s i g na r ep r e s e n t e d t h ec o m p o s i t i o ni n c l u d e s ：( 1 ) t h ef r a m e w o r ko ft h e m c f 5 2 7 2c e n t e rs y s t e m ：c l o c ka n d r e s t o r a t i o nc i r c u i t ，s d r a m ，f l a s h ，b d mi n t e r f a c ec i r c u i t a n ds oo n ( 2 ) 10 0 me t h e r n e ti n t e r f a c ec i r c u i ta n dg p r sc o m m u n i c a t em o d u l e ( 3 ) p o r t s e x p a n dc i r c u i t a tt h el a s tc h a p t e r , t h ee m b e d d e do sl x c l i n u xi ss e l e c t e dt ob et h ev e r yi m p o r t a n tp a r to f t h es c e n ec o n t r o l l i n gs y s t e m t h es y s t e ms o f t w a r ep a r t ，i tp u t se m p h a s i so nt h el x c l i n u x o p e r a t i o ns y s t e m ，h o wt oc u td o w n ，c o m p i l e ，t r a n s p l a n ta n dd e b u gp c l i n u xk e r n e l ，a n dh o w t o r e a l i z ei _ t c l i n u xs y s t e mo nt h ee m b e d d e dt h ep l a t f o r m ，o nt h eb a s i so fi n 仃o d u c i n gh o wt o c o m p i l ea n dd e v e l o pb o o t l o a d i ns u m m a r y , t h ep a p e rc o m p l e t e st h eo v e r a l ld e s i g no ft h eb r i d g ec o l l a p s i n gm o n i t o r i n g s y s t e m t op r o c e s sa n dt r a n s m i tt h eb r i d g e sd a t a ，u s et h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yt ob u i l dt h e f i e l dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：b r i d g ec o l l a p s i n gm o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m ，m c f 5 2 7 2 ，i t c l i n u x 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签嘲文 矽汐g 年月乒日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：嘭弓和可义 导师一即兹彳 功矿8 年么月年日 d 6p 年6 月勺e l 长安大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，国家级、省级公路获得了快速发展，尤其是山区公路建设，已成为我国交 通运输的支柱干道，在日常生活和生活中起的作用也越来越突出。在山区公路上毫无例 外修建了许多桥梁，而如何实现许多桥梁的日常维护和监测已成为交通运输和安全管理 部门面临的一个重要问题。根据统计资料显示，桥梁坍塌造成的直接和间接经济损失十 分惊人。所以开展对桥梁坍塌监测系统的研究，使之能满足国内运输和管理的需要，对 于我国的国民经济建设有重要的现实意义和经济价值。 桥梁是投资巨大、使用期漫长的大型民用基础设施，因此其使用的安全性对国民经 济有着举足轻重的作用。在其服役过程中，由于荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料 老化等不利因素对设施的长期影响，桥梁结构将不可避免地产生自然老化、损伤积累， 甚至导致突发事故。近年来，不断发生的桥梁倒塌等事故对人们的生命财产安全造成了 严重的损害。而那些己经建成的可能存在隐患的大型基础设施更是存在着巨大的潜在威 胁。因此，对桥梁等大型民用基础设施的运行状况进行监测，不但可以有效预防突发性 灾难、减少损失、避免人员伤亡、确保基础设施与使用者的安全，还有助于对新设计、 新材料、新工艺进行评价、验证，为优化设计提供依据，更可能据此制定维修计划及时 控制缺陷的发展【1 1 1 2 1 。 桥梁事故的每每发生，给人民生命财产带来了巨大的损失，影响了道路通行能力的 正常发挥，造成了很坏的影响，1 9 9 8 年1 2 月，广东韶关特大桥倒塌，造成3 2 人死亡、 5 9 人受伤；重庆篡江彩虹桥钢管焊接存在严重缺陷，在没有质量验收的情况下于1 9 9 9 年1 月4 日坍塌，造成4 0 人死亡、1 0 余人受伤，社会影响恶劣；2 0 0 1 年1 1 月7 日， 四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部垮塌，钢缆锈蚀是这起事故的主要原因；2 0 0 3 年4 月，1 9 9 9 年国庆建成通车的江阴长江大桥路面因长期超载而严重压溃，在投入使用 仅仅三年后被迫重新浇筑桥面，造成重大经济损失；2 0 0 7 年5 月9 日江西上饶傍罗大桥 轰然倒塌，只留下九个残破不堪的桥墩斜立在河中；2 0 0 7 年8 月1 3 日正在兴建之中的 湖南省凤凰县堤溪沱江大桥坍塌，6 4 名遇难。因此，对桥梁的坍塌监测的设计与研究就 成为了一项急待解决的重要课题。 第一章绪论 1 2 本领域国内外现状 近2 0 年来桥梁抗风、抗震领域的研究成果以及新材料新工艺的开发推动了大距度 桥梁的发展；同时，随着人们对大型重要桥梁安全性、耐久性与正常使用功能的日渐关 注，桥梁健康监测的研究与监测系统的开发应运而生。由于桥梁监测数据可以为验证结 构分析模型、计算假定和设计方法提供反馈信息，并可用于深入研究大跨度桥梁结构及 其环境中的未知或不确定性问题，因此，桥梁设计理论的验证以及对桥梁结构和结构环 境未知问题的调查与研究成了桥梁监测的主要内涵。 8 0 年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，英国在总长5 2 2 m 的 三跨变高度连续钢箱梁桥f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用 下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装 的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据网络共享。建立健康 监测系统的典型桥梁还有挪威的s k a r n s u n d e t 斜拉桥( 主跨5 3 0 m ) 、美国主跨4 4 0 m 的 s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥、丹麦主跨1 6 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥、英国主跨 1 9 4 m 的f l i n t s h i r e 独塔斜拉桥以及加拿大的c o n f e d e r a t i o tb r i d g e 桥。我国自9 0 年代起 也在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监测系统，如香港的青马大桥、汲水门 大桥和汀九大桥，内地的润扬长江大桥、上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。 从已经建立的监测系统的监测目标、功能以及系统运行等方面看，这些监测系统具 有以下一些功甜3 】： ( 1 ) 通常测量结构各种响应的传感装置获取反映结构行为的各种记录； ( 2 ) 除监测结构本身的状态和行为以外，还强调对结构环境条件( 如风、车辆荷 载等) 的监测和记录分析；同时，试图通过桥梁在正常车辆与风载下的动力响应来建立 结构的”指纹 ，并藉此开发实时的结构整体性与安全性评估技术； ( 3 ) 在通车运营后连续或间断地监测结构状态，力求获取的大桥结构信息连续而 完整。某些桥梁监测传感器在桥梁施工阶段即开始工作并用于监控施工质量； ( 4 ) 监测系统具有快速大容量的信息采集、通讯与处理能力，并实现数据的网络 共享。 目前，桥梁健康诊断系统尚在进一步的发展中，但也只用于大跨度重要桥梁。而针 对中小型桥梁监测体系的不完善，往往只是定期的人工检测，大大降低了监测的质量。 因此有必要建立一套中、小型桥梁坍塌监测系统，实时监测桥梁的安全状况。 2 长安大学硕士学位论文 1 3 桥梁坍塌监测的意义 桥梁坍塌监测方法主要是运用现代传感技术与通信技术，通过实时获取结构状态和 环境信息的各种数据，监测桥梁运营阶段的结构响应与动态行为，并依靠智能分析软件 评估桥梁结构的安全状态，防止桥梁的坍塌。桥梁坍塌监测的意义主要有以下几个方面： ( 1 ) 可以实时掌握桥梁现场的交通状况，有利于桥梁管理部门进行合理的交通管 制。 ( 2 ) 可以及早发现桥梁病害，确定桥梁损伤部位并进行定性和定量分析，为维修 养护和管理决策提供依据和指导。 ( 3 ) 可以在桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，有效预防安全事故，保障人 民生命财产的安全。 ( 4 ) 可以验证桥梁结构的设计模型和计算假定，提高人们对中、小型桥梁的复杂 结构的认识，为实现桥梁结构的“虚拟设计刀奠定基础。 1 4 桥梁坍塌监测系统的构成 桥梁坍塌监测是指利用安装设置在桥梁现场关键部位的测试元件、测试系统和测试 仪器，实时在线地测量桥梁结构在运营过程中的各种结构响应参数，并将这些数据传输 给主控制系统，按照研究确定的评估方法与响应限值及时评估桥梁结构的健康状况，在 出现异常情况时采取相应的处理措施，并给出警示信号，预防桥梁坍塌。同时，作为桥 梁管理系统的关键构成部分，它的特点表现在：监测内容广泛全面、测试诊断、评估实 现了自动化，能够实时发现桥梁病害或不良反应并及时进行处理。 桥梁坍塌监测系统主要应该包括了以下几大模块：各种传感器组成的数据采集系 统；基于嵌入式系统的现场控制系统；i n t e m e t 网络和g p r s 无线传输的数据传输系统； 数据接收和存储、结构计算分析、仿真和健康状态诊断构成的主控制系统；以及超过指 标的报警系统。如图1 1 是桥梁坍塌监测系统结构示意图。 3 第一章绪论 桥 数现数 主 报 梁 据场据 控 采 、 处 卜 传 卜 制 入 警 集 理 输 系 系 系系系 统 统 统 统统 图1 1 桥梁坍塌监测系统结构示意图 ( 1 ) 数据采集系统 通过安装在现场的传感器( 如光纤光栅应变、温度和位移传感器等) 和其他监测设 备，实时采集结构响应特性等状况信息( 桥梁结构的受力、位移变形和动力特性等) 、 交通荷载( 交通流量、车重比例和交通状况等) 和环境荷载信息( 风速风向、环境温度 湿度等) ，采集到的测试信号经二次仪表分析处理成数字信号，传给现场控制服务器， 图1 2 为数据采集系统框图。 图1 2 数据采集系统硬件框图 另外，传感器的安装位置也是至关重要的，要依靠桥梁总体结构分析模型来选择传 感器的最佳安装位置。 ( 2 ) 现场控制系统 在桥梁现场安装桥梁现场处理控制模块，控制模块能够预处理采集桥梁的运行参 数，经过通信网络传给监控中心，同时实时接收从监控中心发来的控制命令，并按照控 制命令进行相应的数据采集、重发等操作。系统选用以m c f 5 2 7 2 微处理器为核心，结 合外围电路建立桥梁现场处理控制系统，它同时要协调数据采集部分与数据通信部分， 4 长安大学硕士学位论文 并完成一定的控制功能，系统还应该有很强的抗干扰能力，以保证信息的准确性。图1 3 给出了现场控制模块的结构图。 传采 每二刮通信模块 感卜集 ，a卜 m f c 5 2 7 2 器y 模 模块 组块 蚓胭设备 图1 3 现场控制模块的结构图 ( 3 ) 数据转输系统 将各种状态参量远程传送到指定的中央监控室或实验室进行分析，还要将监控中心 发出的控制信号传输给现场控制系统，实现桥梁远程控制。同时，能够将分散在多个桥 梁的采集数据统一传输到主控制室，为桥梁集中监控与管理创造条件。由于桥梁结构与 桥梁所处的地理位置各不相同，为了保证系统的数据传输的正常运行，系统采用了两种 传输方式，分别是通过i n t e m e t 网络和g p r s 模块传输方式。 ( 4 ) 主控制系统 监控人员在主控制室接收到各个桥梁现场自动测量部分传送来的桥梁状态参量，通 过软件或算法进行必要的后续数据处理与分析。为便于使用，该系统还应该具有良好的 人机界面，能够用图形等方式显示桥梁重要参数的变化趋势，并有功能扩展与系统升级 的发展空间。 主控制系统还应该包括一套数据库管理系统，能够完成桥梁测量参数存储，历史信 息的查询以及绘制重要参数的变化趋势，用户可根据需要进行桥梁参数的查询、显示和 打印。另外，监控系统应该是开放的，以适应增加桥梁数量时带来的负载。 ( 5 ) 报警系统 阈值报警系统，是嵌入在各监测指标的实时监测界面中的，以便管理人员在监测时， 系统能自动根据实时监测的数据进行判断是否超出阈值而报警。系统采用直接识别报警 方式，即直接根据设置的超限阈值，判断实时监测数据是否超限。如果超限则报警，并 触发紧急事件措施，同时监测数据存入数据库，以便进行健康状态的评估。直接识别流 程如图1 4 。 第一章绪论 未超限继续监测 1 5 本文的主要研究内容 图1 4 报警系统直接识别流程图 本文详细研究了嵌入式技术实现桥梁坍塌监测系统的总体设计，选用强大的扩展功 能的f r e e s c a l e 的微处理器m c f 5 2 7 2 ，并在微处理器上移植i t c l i n u x 操作系统，建立了 桥梁现场处理控制系统。本文的主要内容与任务包括如下： 第一章绪论部分介绍桥梁监测国内外研究的现状，一般桥梁的监测特点，以及分析 了桥梁坍塌监测系统的主要组成部分。 第二章阐述了嵌入式系统的基本概述、各种嵌入式处理器以及嵌入式实时操作系统 的概念与特点，选用了嵌入式微处理器m c f 5 2 7 2 和p c l i n u x 操作系统，并分析了嵌入 式技术各领域的应用。 第三章对桥梁坍塌监测系统的需求分析与技术可行性进行讨论，制定了数据采集系 统方案、现场控制系统的方案、远程数据传输方式以及主控制系统的设计方案。并给出 了监测系统的总体方案。 第四章阐述了现场控制系统的硬件实现，m c f 5 2 7 2 嵌入式芯片作为核心处理单元， 外围扩展复位电路、s d r a m 、f l a s h 与b d m 接口等。为数据采集扩展串口，并为数据 传输提供1 0 0 m 以太网接口和g p r s 通信模块。 第五章通过比较各种嵌入式操作系统，选用功能强大的u c l i n u x 操作系统移植在微 处理器上，介绍b o o t l o a d 的编译和开发原理的基础上，着重论述了操作系统i x c l i n u x 的 裁减、编译、移植和调试等的实现。 最后对本文的研究工作进行了总结及展望。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 嵌入式系统 第二章嵌入式系统 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是“用于 控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。国内普遍认同的嵌入式系统的定义是： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统【4 】。 嵌入式系统的结构是由两大模块组成的：硬件平台和软件平台，如图2 1 所示。硬 件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括 操作系统软件( 要求实时多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合 在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序与硬件的交互 作用。 嵌入式应用系统 嵌入式操作系统 软件平台 彳p | | 硒脾i t ”i 台 i | 弋夕 处理器 图2 1 嵌入式系统组成 嵌入式系统与p c 系统相比具有以下特点【5 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌 入式c p u 大多数工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有 利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，和网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具 7 第二章嵌入式系统 体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 2 2 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。目前全世 界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构有三十几个系列。嵌入式 处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度从o 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，常用封装 从8 个引脚到1 4 4 个引脚。 根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类( 如图2 2 所示) ： 主要芯片 p o w e r p c m o t o r o l a 6 8 k a r m 系列 8 0 5 l m c s - 2 5 l p 5 l x a t m s 3 2 0 系列 d s p 5 6 0 0 0 系列 m c o r e n e u r o n 芯片 图2 2 嵌入式处理器分类图 ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，一般是将微处理器装配 长安大学硕士学位论文 在专门设计的电路板上，在母板上只保留和嵌入式相关的功能即可，这样可以满足系统 体积小和功耗低的要求。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能 上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做 了各种增强。 。 目前的嵌入式微处理器主要包括p o w c r p c 、f r e e s c a l e 6 8 k 、a r m 系列等。 嵌入式微处理器又可分为c i s c ( 复杂指令集计算) 和r i s c ( 精简指令集计算机) 两类。大家熟悉的大多数台式p c 都是使用c i s c 微处理器，如i n t e l 的x 8 6 。r i s c 结构 体系有两大主流：s i l i c o ng r a p h i c s 公司( 硅谷图形公司) 的m i p s 技术，a r m 公司的 a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 技术。此外h i t a c h i ( 日立公司) 也有自己的一套r i s c 技术 s u p c t h 。 s c 和c i s c 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系 结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达 到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有： a ) 指令系统：r i s c 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具 有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在r i s c 机器上 实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。 而c i s c 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊 任务效率较高。 b ) 存储器操作：r i s c 对存储器操作有限制，使控制简单化；而c i s c 机器的存储 器操作指令多，操作直接。 c ) 程序：r i s c 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂 不易设计；而c i s c 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相 对容易，效率较高。 d ) 中断：r i s c 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而c i s c 机器是在 一条指令执行结束后响应中断。 e ) c p u ：r i s cc p u 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而c i s cc p u 包 含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 d 设计周期：r i s c 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新 技术；c i s c 微处理器结构复杂，设计周期长。 g ) 用户使用：r i s c 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；c i s c 9 第二章嵌入式系统 微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 h ) 应用范围：由于r i s c 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故r i s c 机器更 适合于专用机；而c i s c 机器则更适合于通用机。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l c ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、 定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能模块。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功 耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上 资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。 ( 3 ) d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译 效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量 进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采 用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式d s p 处理器有两个发展来源，一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增 加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在 通用单片机或片上系统( s o c ) 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s - 2 9 6 。 比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p5 6 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e m o nc h i p ，s o c ) 嵌入式片上系统是追求产品系统最大化的集成器件，除个别无法集成的器件以外， 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简 洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。其最大的特点是成功实现了软硬件无 缝结合，直接在处理器片内实现嵌入操作系统的代码模块。 s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括m o t o r o l a 的m c o r e ，某些a r m 系 列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一个有代表性的产 品p h i l i p s 的s m a r t x a 。 1 0 长安大学硕士学位论文 本文选用了c o l d f i r e 系列中的3 2 位r i s c 的m c f 5 2 7 2 微处理器( 将在3 3 详细说 明m c f 5 2 7 2 的特点) 。 2 3 嵌入式操作系统与实时操作系统 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e o s ) 【4 】是一种支持嵌入式系统 应用的操作系统软件。它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通 常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、 标准化浏览器b r o w s e r 等。 实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 【5 1 是根据操作系统的工作特性 而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控 制系统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才 着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时多任 务操作系统与分时多任务操作系统有明显的区别。具体地说，对于分时操作系统，软件 的执行在时间上的要求并不严格，时间上的错误，一般不会造成灾难性的后果。而对于 实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到 达，但是软件上必须在事件发生时能够在严格的时限内做出响应( 系统响应时间) ，即 使是在尖峰负荷下也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。另外，实时操 作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行情况的最好和最坏等情况能 做出精确的估计。 e o s 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如 任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点【5 1 ： ( 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 ( 4 ) 操作方便、简单、提供友好的g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s ，图形用户界面) ， 追求易学易用。 ( 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p u d p 佃p p p 协议支持及统一的m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，媒体存取控制) 访问层接口，为各种 移动计算设备预留接口。 ( 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 第二章嵌入式系统 这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般不提 供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 ( 7 ) 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系 统的r o m 中。 ( 8 ) 辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作系统的文件管理功 能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。 ( 9 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 在嵌入式系统的应用开发中，采用嵌入式实时操作系统能够支持多任务，使得程序 开发更加容易，便于维护，同时能够提高系统的稳定性和可靠性。这已逐渐成为嵌入式 系统开发的一个发展方向。 目前，实时嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种类型：商用型和免费型。 商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂 贵，如w i n c e 和v x w o r k s 。免费型的实时操作系统在价格方面具有较大优势，目前主 要有l i n u x 和i t c o s 。 基于嵌入式l i n u x 操作系统的源码开放、价格低廉、功能强大且易于移植，本文选 用了l i n u x 操作系统。嵌入式l i n u x 就是在嵌入式系统中使用的l i n u x 。通常是将标准 l i n u x 进行相应改造后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入式应用程序提供操作 系统服务。 在l i n u x 系统结构中，系统内核是关键的核心部分完成了操作系统的基本任务。 l i n u x 内核按功能划分为五个子系统：内存管理、进程管理、进程问通信、文件系统和 网络接口等。图2 3 说明了内核的重要组成部分及其相互关系【7 1 3 5 1 。 a ) 进程调度( s c h e d ) ：控制进程对c p u 的访问。当需要选择下一个进程运行时， 由调度程序选择最值得运行的进程。可运行进程实际上是仅等待c p u 资源的进程，如 果某个进程在等待其它资源，则该进程是不可运行进程。l i n u x 使用了比较简单的基于 优先级的进程调度算法选择新的进程。 b ) 内存管理( m m ) ：允许多个进程安全的共享主内存区域。l i n u x 的内存管理支 持虚拟内存，即在计算机中运行的程序，其代码，数据，堆栈的总量可以超过实际内存 的大小，操作系统只是把当前使用的程序块保留在内存中，其余的程序块则保留在磁盘 中。必要时，操作系统负责在磁盘和内存间交换程序块。内存管理从逻辑上分为硬件无 关部分和硬件有关部分。硬件无关部分提供了进程的映射和逻辑内存的对换；硬件相关 1 2 长安大学硕士学位论文 的部分为内存管理硬件提供了虚拟接口。 虚拟文件系统 逻辑文件系统 设备系统文件 仁 亘 图2 3l i n u x 内核重要组成部分 c ) 虚拟文件系统( v i r t u a l f i l e s y s t g m ，v f s ) ：隐藏了各种硬件的具体细节，为所有 的设备提供了统一的接口，v f s 提供了多达数十种不同的文件系统。虚拟文件系统可以 分为逻辑文件系统和设备驱动程序。逻辑文件系统指l i n u x 所支持的文件系统，如e x t 2 ， f a t 等，设备驱动程序指为每一种硬件控制器所编写的设备驱动程序模块。 d ) 网络接口( n e t ) ：提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。网络 接口可分为网络协议和网络驱动程序。网络协议部分负责实现每一种可能的网络传输协 议。网络设备驱动程序负责与硬件设备通讯，每一种可能的硬件设备都有相应的设备驱 动程序。 e ) 进程间通讯( 疋c ) ：支持进程间各种通信机制。 处于中心位置的进程调度，所有其它的子系统都依赖它，因为每个子系统都需要挂 起或恢复进程。一般情况下，当一个进程等待硬件操作完成时，它被挂起；当操作真正 完成时，进程被恢复执行。例如，当一个进程通过网络发送一条消息时，网络接口需要 挂起发送进程，直到硬件成功地完成消息的发送，当消息被成功的发送出去以后，网络 接口给进程返回一个代码，表示操作的成功或失败。其他子系统以相似的理由依赖于进 第二章嵌入式系统 程调度。 2 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统的应用领域包括： ( 1 ) 工业控制领域：基于嵌入式芯片的自动化设备具有很大的发展空间，大量嵌 入式微控制器应用在工业过程控制、电力电网系统、石油化工系统等领域。 ( 2 ) 交通管理领域：在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式 系统技术己经获得了广泛的应用，内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已经在各 种运输行业获得了成功的使用。 ( 3 ) 信息家电领域：这将成为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络 化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使不在家也可以通过电话线、网 络进行远程控制。 ( 4 ) 家庭智能管理系统：水、电、煤气的远程自动抄表，安全防火防盗系统，其 中嵌入专用控制芯片将代替传统人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。 ( 5 ) 环境监测：环境监测包括水文资料实时监测、防洪体系及水土质量监测、桥 梁安全、地震监测网、实时气象信息网、水源和空气污染监测。在很多环境恶劣、地况 复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 ( 6 ) 机器人：嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化、高智能方面优势更加明确， 同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业和服务领域获得更广泛的应用。 除了以上这些应用领域，嵌入式系统还有其他方面的应用，己逐步渗透到现代社会 人们生活的方方面面。本文主要将嵌入式系统应用于桥梁坍塌监测中，搭建嵌入式系统 平台处理与传输数据。 2 5 本章小结 本章首先对嵌入式系统做了介绍，包括嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统，研究 分析了嵌入式技术目前的发展现状与应用；比较了各种嵌入式处理器，选用了嵌入式微 处理器m c f 5 2 7 2 ；阐述了嵌入式实时操作系统的概念与特点。本章为下一章的监测系 统的方案设计打下理论基础。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章桥梁坍塌监测系统总体设计 通常中、小型桥梁检测工作是采用人工检测手段定期或不定期( 比如桥梁结构受到 意外损伤、载荷突变、处于特殊气象环境等情况下) 分别对桥梁的关键部位单独检测， 并将现场测试数据带回控制室进行分析处理。对于桥梁结构，这种时间跨度很长的离线 处理方法是不可行的。实时自动监测桥梁结构的交通载荷和环境载荷，是桥梁结构检测 方式的发展趋势。 桥梁坍塌监测系统的建立，有助于桥梁管理部门动态跟踪桥梁的工作状态和安全状 态，有助于从长期的监测历史记录中发现桥梁结构的整体特性变化规律以及疲劳破坏机 理。 3 1 桥梁坍塌监测系统的需求分析及可行性研究 桥梁坍塌监测系统应该能够对中、小型桥梁的实际损伤情况进行实时全面监测，并 能够利用监测数据对桥梁的健康状态进行分析评判，得到桥梁是否安全的结论。针对于 山区中小型公路桥梁分布分散，系统必须具有集群监测功能实现在同一个地方对多座桥 梁的集中监测，因此必须采用合理的方式，将独立的桥梁的不同的传感器系统，通过嵌 入式系统网络构筑成一个具有集群监测功能的，实现对多座桥梁的远程集中监测和数据 处理工作量的合理分配。 3 1 1 需求分析 要构筑一个合理的桥梁坍塌监测系统，必须满足以下要求： ( 1 ) 系统必须能够全面实时监测桥梁结构的实际损伤情况，在远离桥梁的地方对 桥梁的状态能够进行集中监测，在远离桥梁的任意地点都可以随时了解桥梁的状态。 ( 2 ) 系统具有数据自动采集、数据手动采集、单点连续测量以及健康状态评判等 功能，考虑到某些敏感因素，因此需要对用户的权限进行分配。不同的用户具有操作该 系统的不同功能模块的权限。 ( 3 ) 系统应该能够按照用户的要求进行数据的备份、报表的生成以及相应的图形 生成、显示j 打印等功能。 ( 4 ) 由于桥梁的健康状态是由历史数据进行反映的，因此，桥梁的历史数据必须 进行保存以作为健康评价的依据。 ( 5 ) 系统必须具有无人职守功能，能够做到市电临时停电时系统根据实际情况进 第三章桥梁坍塌监测系统总体设计 行转换，备用电源进行供电