ARM CPU在橋梁撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘 要： 基于ARM CPU LPC2132的光電液位撓度傳感器的硬件構(gòu)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(cè)系統(tǒng)為實(shí)例，具體介紹本傳感器的使用情況。
　　關(guān)鍵詞： ARM, 橋梁監(jiān)測(cè), 撓度,傳感器

1 光電撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　橋梁是投資巨大、使用期漫長(zhǎng)的大型民用基礎(chǔ)設(shè)施，因此其使用的安全性非常重要。在其服役過(guò)程中，由于荷載作用、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素對(duì)設(shè)施的長(zhǎng)期影響，橋梁結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生自然老化、損傷積累,甚至導(dǎo)致突發(fā)事故。近年來(lái)，不斷發(fā)生的橋梁倒塌等事故對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的損害。因此，對(duì)橋梁等大型民用基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀況進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)非常必要。由于橋梁尺寸大、約束點(diǎn)較多、結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，因此，要對(duì)橋梁的健康狀況進(jìn)行全面評(píng)估，需要從不同的側(cè)面（例如：振動(dòng)、撓度、應(yīng)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(shí)橋梁在垂直方向產(chǎn)生的位移）是一個(gè)必不可少的指標(biāo)。目前，盡管已有用來(lái)測(cè)量橋梁撓度的系統(tǒng)，但能完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)的此類設(shè)備還不多見。本文介紹的光電液位撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有成本低、自動(dòng)性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，且已成功地在山西小溝高速公路特大橋上得到成功應(yīng)用。
　　光電液位撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，液體箱位于橋墩處，每一個(gè)液體箱通過(guò)若干液體管道可連接若干個(gè)撓度傳感器。傳感器的分布位置根據(jù)需要測(cè)量的部位而定。多個(gè)傳感器通過(guò)RS-485總線串聯(lián)起來(lái)連接到高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱高速數(shù)采）。一個(gè)高速數(shù)采可以連接多個(gè)這樣的485總線網(wǎng)絡(luò)^[1]，當(dāng)然也可擁有多個(gè)高速數(shù)采（如果需測(cè)的點(diǎn)數(shù)多）。多個(gè)高速數(shù)采可連接到一個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備上，由以太網(wǎng)設(shè)備通過(guò)光纖等外部線路將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行顯示和分析。

　　撓度傳感器是本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，其主要任務(wù)是對(duì)上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令進(jìn)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(dǎo)部分、光學(xué)液面位移識(shí)別部分、數(shù)據(jù)處理部分三部分構(gòu)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(dòng)時(shí)，各容器中的液面總保持相平。將液體箱置于橋墩處，當(dāng)橋梁有撓度變化時(shí)橋墩處保持靜態(tài)不動(dòng)，而此時(shí)傳感器內(nèi)部的液體位移傳導(dǎo)部分就會(huì)產(chǎn)生位移變化即撓度變形值，光學(xué)液面識(shí)別部分將測(cè)得的位移變化信號(hào)量傳給數(shù)據(jù)處理部分，由數(shù)據(jù)處理部分對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)換等一系列操作，將最終得到的數(shù)字信號(hào)量通過(guò)RS-485總線送到以太網(wǎng)設(shè)備，然后由以太網(wǎng)設(shè)備將收到的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)化為TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)，通過(guò)光纖等外部網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心。
2 LPC2132在本系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　LPC2132 CPU是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的精簡(jiǎn)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(diǎn)：
　　(1)16K片內(nèi)靜態(tài)RAM和64KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz的操作頻率。
　　(2)片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。Flash編程時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器包含16個(gè)模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)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(hào)直接送入CPU中，而不需要額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路并簡(jiǎn)化了軟件編程。
　　(5)2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)滿足了系統(tǒng)對(duì)CCD控制信號(hào)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(hào)。
　　(6)多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I²C接口（400kbps）及SPI和SSP串行接口，滿足了與外界實(shí)時(shí)通訊的需求。
　　(7)多達(dá)47個(gè)(可承受5V電壓)的通用I/O口和9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，可用于RS-485命令接收?qǐng)?bào)告、CCD狀態(tài)、指示燈控制等。
　　(8)通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL穩(wěn)定時(shí)間為100μs。
　　(9)單電源供電，含上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(cè)(POR)電路，支持空閑和掉電2個(gè)低功耗模式，通過(guò)外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒，根據(jù)需要設(shè)置不同的工作方式可降低系統(tǒng)功耗^[2]。
　　用LPC2132實(shí)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(dǎo)體)存儲(chǔ)單元構(gòu)成。其工作原理是：光敏元在受到外界光照射時(shí)可以產(chǎn)生電荷，此電荷被存儲(chǔ)在MOS存儲(chǔ)單元中，而產(chǎn)生電荷的多少與光的強(qiáng)度和照射時(shí)間成正比。在一定時(shí)序的外加電壓驅(qū)動(dòng)下，CCD中存儲(chǔ)的電荷可以一個(gè)接一個(gè)地順序移出，這樣，CCD的輸出端就產(chǎn)生了與存儲(chǔ)電荷成正比的輸出電壓。CCD主要用于圖像的記錄、存儲(chǔ)等方面。
　　本系統(tǒng)中CCD屬于光學(xué)液面位移識(shí)別部分，其主要作用是識(shí)別液體位移傳導(dǎo)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(xué)液面位移識(shí)別部分的工作原理和構(gòu)成，如圖3。

　　圖3所示的透明管通過(guò)液體管道與橋墩處的液體箱連接，它們共同構(gòu)成液體位移傳導(dǎo)部分。在實(shí)際應(yīng)用中透明管總是與水平面保持垂直。當(dāng)發(fā)生撓度變化時(shí)橋梁帶動(dòng)傳感器一起做豎向位移運(yùn)動(dòng)，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(duì)運(yùn)動(dòng)，感覺(jué)上就好象是液體在透明管中上下運(yùn)動(dòng)。
　　光學(xué)液面位移識(shí)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(gè)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(guò)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(duì)較強(qiáng)，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(guò)像的大小來(lái)獲取液面的高低，從而達(dá)到識(shí)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(gè)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(jìn)型，價(jià)格低廉，靈敏度高，應(yīng)用廣泛。采用ARM系列微處理機(jī)可極大地簡(jiǎn)化其驅(qū)動(dòng)電路，增強(qiáng)其工作穩(wěn)定性。
　　TCD1208AP采用二相驅(qū)動(dòng)脈沖工作，時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)電路提供四路工作脈沖：光積分脈沖SH，電荷轉(zhuǎn)移脈沖F11、F12，輸出復(fù)位脈沖RS 。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，用一路PWM做RS，對(duì)RS處理后通過(guò)74HC74進(jìn)行兩分頻，產(chǎn)生F11、F12。通過(guò)定時(shí)器控制通用I/O口產(chǎn)生SH信號(hào)。驅(qū)動(dòng)脈沖的電平采用74HC04加上拉電阻控制。由于線陣CCD的典型復(fù)位脈沖是1 MHz，對(duì)單片機(jī)的速度有一個(gè)最低要求，所以要實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動(dòng)方法必須使用指令周期小于1μs的單片機(jī)。ARM單片機(jī)的時(shí)鐘高達(dá)60MHz，完全能滿足要求。
　　從CCD得到的模擬信號(hào)可直接送入LPC2132內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。
2.2 LPC2132與SN65HVD3082的連接
　　因?yàn)樵谙到y(tǒng)中需要對(duì)幾十個(gè)點(diǎn)進(jìn)行撓度檢測(cè)，且每套撓度傳感器只是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)基本單元。它既需要外部輸入一些必要的信息，同時(shí)，也需要向外部輸出自身的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。為了滿足設(shè)備控制的要求，采用了網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，即將眾多設(shè)備有機(jī)地連成一體，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。系統(tǒng)采用RS-485總線方式組成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多機(jī)通訊。由于485總線是異步半雙工的通信總線，即在某一個(gè)時(shí)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(jī)對(duì)分機(jī)的查詢通信?？偩€上必然有一臺(tái)始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其他的分機(jī)，本系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備充當(dāng)了主機(jī)的角色。
　　系統(tǒng)中的RS-485驅(qū)動(dòng)器采用TI公司的485驅(qū)動(dòng)芯片SN65HVD3082。該芯片體積小，功耗極低，在1/8負(fù)載下可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá)256個(gè)相同接口的設(shè)備，驅(qū)動(dòng)速率可以達(dá)到200kbps。在應(yīng)用工程系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)時(shí)，RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射^[3]。原因是導(dǎo)線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時(shí)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(shí)鐘電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路等。這幾部分比較簡(jiǎn)單。 LPC2100系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快（CPU最大操作時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)，致使其噪聲容限低，因此對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)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(fù)位電路使用了CAT809T電源監(jiān)控芯片，復(fù)位延時(shí)可達(dá)250ms，RESET產(chǎn)生的復(fù)位脈沖完全滿足時(shí)序的需要。另外系統(tǒng)還預(yù)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(shè)計(jì)
　　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(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn)。程序流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)性能分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)
4.1 系統(tǒng)測(cè)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(xué)成像部分決定。目前系統(tǒng)的光學(xué)分辨率為0.098mm，優(yōu)于0.1mm，足夠測(cè)試橋梁撓度變形。
4.2 傳感系統(tǒng)頻響特性
　　靜態(tài)響應(yīng)特性。當(dāng)液體管中的液面靜止時(shí)，靜止的液面會(huì)使傳感器輸出固定值，即傳感器具有零頻響應(yīng)的特性。大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都證明了傳感器確實(shí)具有零頻直流響應(yīng)，因此，利用傳感器的這個(gè)特性可以監(jiān)測(cè)橋梁的靜態(tài)變形。
　　動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法為用振動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)液體箱做垂直周期振動(dòng)，水箱的位移通過(guò)50m管道傳遞給位置固定的液位傳感器，在上位機(jī)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(dá)到了橋梁撓度值的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
5 應(yīng)用實(shí)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(yùn)行了將近一年，證明系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性、可靠性。
　　圖5為從監(jiān)控中心中的上位機(jī)軟件LabView^[4]中截取的橋上過(guò)車時(shí)的橋梁撓度波形圖。圖中曲線彎曲度代表了車輛通過(guò)時(shí)橋梁的撓度，將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存下來(lái)就可以得到橋梁長(zhǎng)期的撓度變化情況。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)是：將連通管的原理應(yīng)用在撓度傳感器中，并利用了ARM CPU的高性能特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有自動(dòng)性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
　　橋梁的光電液位撓度監(jiān)測(cè)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(tái)上用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言或C++語(yǔ)言進(jìn)行編程調(diào)試、軟件仿真，大大縮短了軟件的開發(fā)周期。
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