摘 要： 基于ARM" title="ARM">ARM CPU LPC2132的光電液位撓度傳感器的硬件構成、原理及性能分析。以山西高速公路小溝特大橋的安全監(jiān)測" title="監(jiān)測">監(jiān)測系統(tǒng)為實例，具體介紹本傳感器的使用情況。
關鍵詞： ARM, 橋梁監(jiān)測, 撓度,傳感器
1 光電撓度監(jiān)測系統(tǒng)簡介
橋梁是投資巨大、使用期漫長的大型民用基礎設施，因此其使用的安全性非常重要。在其服役過程中，由于荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素對設施的長期影響，橋梁結構將不可避免地產(chǎn)生自然老化、損傷積累,甚至導致突發(fā)事故。近年來，不斷發(fā)生的橋梁倒塌等事故對人們的生命財產(chǎn)安全造成了嚴重的損害。因此，對橋梁等大型民用基礎設施的運行狀況進行安全監(jiān)測非常必要。由于橋梁尺寸大、約束點較多、結構變形復雜，因此，要對橋梁的健康狀況進行全面評估，需要從不同的側面（例如：振動、撓度、應變等方面）了解橋梁的狀態(tài)。在表征橋梁健康狀況的諸多參數(shù)中，撓度（載重時橋梁在垂直方向產(chǎn)生的位移）是一個必不可少的指標。目前，盡管已有用來測量橋梁撓度" title="橋梁撓度">橋梁撓度的系統(tǒng)，但能完全實現(xiàn)遠程、實時、自動在線監(jiān)測的此類設備還不多見。本文介紹的光電液位撓度監(jiān)測系統(tǒng)，具有成本低、自動性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測等優(yōu)點，且已成功地在山西小溝高速公路特大橋上得到成功應用。
光電液位撓度監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，液體箱位于橋墩處，每一個液體箱通過若干液體管道可連接若干個撓度傳感器。傳感器的分布位置根據(jù)需要測量的部位而定。多個傳感器通過RS-485總線串聯(lián)起來連接到高速數(shù)據(jù)采集設備（以下簡稱高速數(shù)采）。一個高速數(shù)采可以連接多個這樣的485總線網(wǎng)絡[1]，當然也可擁有多個高速數(shù)采（如果需測的點數(shù)多）。多個高速數(shù)采可連接到一個以太網(wǎng)設備上，由以太網(wǎng)設備通過光纖等外部線路將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心進行顯示和分析。
撓度傳感器是本監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，其主要任務是對上位機發(fā)來的命令進行解釋和執(zhí)行，根據(jù)不同的命令執(zhí)行不同的操作。傳感器是由液體位移傳導部分、光學液面位移識別部分、數(shù)據(jù)處理部分三部分構成。根據(jù)連通管的原理，即連通器里如果只裝有一種液體，在液體不流動時，各容器中的液面總保持相平。將液體箱置于橋墩處，當橋梁有撓度變化時橋墩處保持靜態(tài)不動，而此時傳感器內(nèi)部的液體位移傳導部分就會產(chǎn)生位移變化即撓度變形值，光學液面識別部分將測得的位移變化信號量傳給數(shù)據(jù)處理部分，由數(shù)據(jù)處理部分對接收到的信號進行濾波、A/D轉換等一系列操作，將最終得到的數(shù)字信號量通過RS-485總線送到以太網(wǎng)設備，然后由以太網(wǎng)設備將收到的數(shù)據(jù)幀轉化為TCP/IP數(shù)據(jù)報，通過光纖等外部網(wǎng)絡傳送給監(jiān)控中心。
2 LPC2132在本系統(tǒng)中的應用
LPC2132 CPU是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器。它的工作電壓為3.3V，內(nèi)核ARM7TDMI-S的工作電壓僅為2.5V，大大降低了芯片的功耗。LPC2132具有如下特點：
(1)16K片內(nèi)靜態(tài)RAM和64KB片內(nèi)Flash程序存儲器提供了本系統(tǒng)中程序所需要的空間，128位寬度接口/加速器實現(xiàn)高達60MHz的操作頻率。
(2)片內(nèi)Boot裝載程序實現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應用編程（IAP）。Flash編程時間：1ms可編程256字節(jié)，扇區(qū)擦除或正片擦除只需400ms。
(3)EmbeddedICE-RT和嵌入式跟蹤接口可實時調(diào)試（利用片內(nèi)RealMonitor軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼。方便程序的調(diào)試。
(4)1個8路10位A/D轉換器包含16個模擬輸入，每個通道的轉換時間低于2.44μs。這樣就可以將CCD（一種光電元件）產(chǎn)生的模擬信號直接送入CPU中，而不需要額外的模數(shù)轉換電路并簡化了軟件編程。
(5)2個32位定時器/計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)滿足了系統(tǒng)對CCD控制信號輸入的需求，PWM單元（6路輸出）可以直接產(chǎn)生CCD所需的脈沖信號。
(6)多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C接口（400kbps）及SPI和SSP串行接口，滿足了與外界實時通訊的需求。
(7)多達47個(可承受5V電壓)的通用I/O口和9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，可用于RS-485命令接收報告、CCD狀態(tài)、指示燈控制等。
(8)通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL穩(wěn)定時間為100μs。
(9)單電源供電，含上電復位(POR)和掉電檢測(POR)電路，支持空閑和掉電2個低功耗模式，通過外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒，根據(jù)需要設置不同的工作方式可降低系統(tǒng)功耗[2]。
用LPC2132實現(xiàn)撓度傳感器功能的硬件連接如圖2所示。
2.1 LPC2132與CCD的連接
CCD(Charge Couple Device)由一系列相鄰的MOS(金屬氧化物半導體)存儲單元構成。其工作原理是：光敏元在受到外界光照射時可以產(chǎn)生電荷，此電荷被存儲在MOS存儲單元中，而產(chǎn)生電荷的多少與光的強度和照射時間成正比。在一定時序的外加電壓驅動下，CCD中存儲的電荷可以一個接一個地順序移出，這樣，CCD的輸出端就產(chǎn)生了與存儲電荷成正比的輸出電壓。CCD主要用于圖像的記錄、存儲等方面。
本系統(tǒng)中CCD屬于光學液面位移識別部分，其主要作用是識別液體位移傳導部分中的液體位移的變化量。因此在介紹LPC2132與CCD的連接之前，先介紹一下光學液面位移識別部分的工作原理和構成，如圖3。
圖3所示的透明管通過液體管道與橋墩處的液體箱連接，它們共同構成液體位移傳導部分。在實際應用中透明管總是與水平面保持垂直。當發(fā)生撓度變化時橋梁帶動傳感器一起做豎向位移運動，這樣位于傳感器內(nèi)部的透明管就與其中的液體產(chǎn)生了相對運動，感覺上就好象是液體在透明管中上下運動。
光學液面位移識別部分主要由透明管、光源、透鏡及CCD組成。透明管中的液體為不透明狀，由若干個LED組成的線光源發(fā)出的均勻光將透明管的背景照亮。由于光在不同介質(zhì)中的折射率不同，使得通過透鏡后玻璃管的成像在CCD的中間部分形成一條暗帶，上下邊緣部分的透射光相對較強，形成亮帶，中間暗帶的寬度為玻璃管內(nèi)液柱在CCD上的成像，通過像的大小來獲取液面的高低，從而達到識別液位的目的。
本系統(tǒng)中CCD采用的是日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的線陣CCD產(chǎn)品TCD1208AP。它具有2160個像元，像元尺寸及間距為14μm×14μm，靈敏度高，暗電流低，工作電壓為單一的5V，為二相輸出的線陣CCD器件，是早期TCD142D的改進型，價格低廉，靈敏度高，應用廣泛。采用ARM系列微處理機可極大地簡化其驅動電路，增強其工作穩(wěn)定性。
TCD1208AP采用二相驅動脈沖工作，時序脈沖驅動電路提供四路工作脈沖：光積分脈沖SH，電荷轉移脈沖F11、F12，輸出復位脈沖RS 。具體實現(xiàn)時，用一路PWM做RS，對RS處理后通過74HC74進行兩分頻，產(chǎn)生F11、F12。通過定時器控制通用I/O口產(chǎn)生SH信號。驅動脈沖的電平采用74HC04加上拉電阻控制。由于線陣CCD的典型復位脈沖是1 MHz，對單片機的速度有一個最低要求，所以要實現(xiàn)這種驅動方法必須使用指令周期小于1μs的單片機。ARM單片機的時鐘高達60MHz，完全能滿足要求。
從CCD得到的模擬信號可直接送入LPC2132內(nèi)部的A/D轉換器進行處理。
2.2 LPC2132與SN65HVD3082的連接
因為在系統(tǒng)中需要對幾十個點進行撓度檢測，且每套撓度傳感器只是整個系統(tǒng)的一個基本單元。它既需要外部輸入一些必要的信息，同時，也需要向外部輸出自身的運行參數(shù)和狀態(tài)。為了滿足設備控制的要求，采用了網(wǎng)絡控制技術，即將眾多設備有機地連成一體，以保證整個系統(tǒng)安全可靠地運行。系統(tǒng)采用RS-485總線方式組成整個傳感器網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的多機通訊。由于485總線是異步半雙工的通信總線，即在某一個時刻，總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢通信?？偩€上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其他的分機，本系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)采集設備充當了主機的角色。
系統(tǒng)中的RS-485驅動器采用TI公司的485驅動芯片SN65HVD3082。該芯片體積小，功耗極低，在1/8負載下可以同時驅動多達256個相同接口的設備，驅動速率可以達到200kbps。在應用工程系統(tǒng)的現(xiàn)場施工中，由于通信載體一般是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以在線路設計時，RS-485網(wǎng)絡傳輸線的始端和末端應各接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射[3]。原因是導線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時也不能忽視。
2.3 LPC2132與其他部分的連接
與LPC2132連接的其他部分還有系統(tǒng)時鐘電路、復位電路和JTAG接口電路等。這幾部分比較簡單。 LPC2100系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘，使系統(tǒng)運行速度更快（CPU最大操作時鐘為60MHz）。倘若不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍為1MHz～30MHz，外部時鐘頻率范圍為1MHz～50MHz；若使用了片內(nèi)PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍為10MHz～25MHz，外部時鐘頻率范圍為10MHz～25MHz。這套系統(tǒng)使用了外部11.0592MHz晶振，這樣可以使串口的波特率更精確，同時也能夠支持LPC2132微控制器芯片內(nèi)部PLL功能及ISP功能。由于ARM芯片具有高速、低功耗、低工作電壓等特點，致使其噪聲容限低，因此對電源的紋波、瞬態(tài)響應性能、時鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面提出了更高的要求。本系統(tǒng)的復位電路使用了CAT809T電源監(jiān)控芯片，復位延時可達250ms，RESET產(chǎn)生的復位脈沖完全滿足時序的需要。另外系統(tǒng)還預留了JTAG接口電路，以方便調(diào)試和下載程序。
3 傳感器軟件部分設計
系統(tǒng)軟件開發(fā)工具采用ADS集成開發(fā)環(huán)境。此開發(fā)工具是ARM公司推出的ARM核處理器集成開發(fā)工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列處理器，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點。程序流程如圖4所示。
4 系統(tǒng)性能分析及試驗數(shù)據(jù)
4.1 系統(tǒng)測撓精度
傳感系統(tǒng)的電路均為數(shù)字電路，所傳遞的均是數(shù)值，CCD傳感器在空間上是數(shù)字化的，所以系統(tǒng)的精度由光學成像部分決定。目前系統(tǒng)的光學分辨率為0.098mm，優(yōu)于0.1mm，足夠測試橋梁撓度變形。
4.2 傳感系統(tǒng)頻響特性
靜態(tài)響應特性。當液體管中的液面靜止時，靜止的液面會使傳感器輸出固定值，即傳感器具有零頻響應的特性。大量的實驗和現(xiàn)場測試都證明了傳感器確實具有零頻直流響應，因此，利用傳感器的這個特性可以監(jiān)測橋梁的靜態(tài)變形。
動態(tài)響應特性。傳感器動態(tài)特性試驗方法為用振動臺帶動液體箱做垂直周期振動，水箱的位移通過50m管道傳遞給位置固定的液位傳感器，在上位機的軟件中讀取傳感器的輸出數(shù)據(jù)，在不同頻率下得到的數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可以求得系統(tǒng)的精度在9.5/101～9.5/110之間，分辨率在0.1mm以內(nèi)，達到了橋梁撓度值的監(jiān)測標準。
5 應用實例
光電式液位撓度傳感器在山西新原高速小溝特大橋上已經(jīng)成功地連續(xù)運行了將近一年，證明系統(tǒng)具有相當?shù)姆€(wěn)定性、可靠性。
圖5為從監(jiān)控中心中的上位機軟件LabView[4]中截取的橋上過車時的橋梁撓度波形圖。圖中曲線彎曲度代表了車輛通過時橋梁的撓度，將這些數(shù)據(jù)實時保存下來就可以得到橋梁長期的撓度變化情況。對這些數(shù)據(jù)進行定期分析就可了解現(xiàn)階段橋梁的健康狀況。
本文的特點是：將連通管的原理應用在撓度傳感器中，并利用了ARM CPU的高性能特點，使系統(tǒng)具有自動性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測等優(yōu)點。
橋梁的光電液位撓度監(jiān)測系統(tǒng)是比較大的系統(tǒng)。本文只涉及其核心部分(而且是硬件部分，軟件部分的工作量也比較大)。以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的LPC2132能夠在ADS1.2的調(diào)試平臺上用標準C語言或C++語言進行編程調(diào)試、軟件仿真，大大縮短了軟件的開發(fā)周期。
參考文獻
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