ARM CPU在桥梁挠度监测系统中的应用

　　摘 要： 基于ARM CPU LPC2132的光电液位挠度传感器的硬件构成、原理及性能分析。以山西高速公路小沟特大桥的安全监测系统为实例，具体介绍本传感器的使用情况。
　　关键词： ARM, 桥梁监测, 挠度,传感器

1 光电挠度监测系统简介
　　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非常重要。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。因此，对桥梁等大型民用基础设施的运行状况进行安全监测非常必要。由于桥梁尺寸大、约束点较多、结构变形复杂，因此，要对桥梁的健康状况进行全面评估，需要从不同的侧面（例如：振动、挠度、应变等方面）了解桥梁的状态。在表征桥梁健康状况的诸多参数中，挠度（载重时桥梁在垂直方向产生的位移）是一个必不可少的指标。目前，尽管已有用来测量桥梁挠度的系统，但能完全实现远程、实时、自动在线监测的此类设备还不多见。本文介绍的光电液位挠度监测系统，具有成本低、自动性能好、精度高、非接触、能连续在线监测等优点，且已成功地在山西小沟高速公路特大桥上得到成功应用。
　　光电液位挠度监测系统示意图如图1 所示，液体箱位于桥墩处，每一个液体箱通过若干液体管道可连接若干个挠度传感器。传感器的分布位置根据需要测量的部位而定。多个传感器通过RS-485总线串联起来连接到高速数据采集设备（以下简称高速数采）。一个高速数采可以连接多个这样的485总线网络^[1]，当然也可拥有多个高速数采（如果需测的点数多）。多个高速数采可连接到一个以太网设备上，由以太网设备通过光纤等外部线路将数据传送到监控中心进行显示和分析。

　　挠度传感器是本监测系统的核心部分，其主要任务是对上位机发来的命令进行解释和执行，根据不同的命令执行不同的操作。传感器是由液体位移传导部分、光学液面位移识别部分、数据处理部分三部分构成。根据连通管的原理，即连通器里如果只装有一种液体，在液体不流动时，各容器中的液面总保持相平。将液体箱置于桥墩处，当桥梁有挠度变化时桥墩处保持静态不动，而此时传感器内部的液体位移传导部分就会产生位移变化即挠度变形值，光学液面识别部分将测得的位移变化信号量传给数据处理部分，由数据处理部分对接收到的信号进行滤波、A/D转换等一系列操作，将最终得到的数字信号量通过RS-485总线送到以太网设备，然后由以太网设备将收到的数据帧转化为TCP/IP数据报，通过光纤等外部网络传送给监控中心。
2 LPC2132在本系统中的应用
　　LPC2132 CPU是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的精简指令系统的32位高速处理器。它的工作电压为3.3V，内核ARM7TDMI-S的工作电压仅为2.5V，大大降低了芯片的功耗。LPC2132具有如下特点：
　　(1)16K片内静态RAM和64KB片内Flash程序存储器提供了本系统中程序所需要的空间，128位宽度接口/加速器实现高达60MHz的操作频率。
　　(2)片内Boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。Flash编程时间：1ms可编程256字节，扇区擦除或正片擦除只需400ms。
　　(3)EmbeddedICE-RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内RealMonitor软件）和高速跟踪执行代码。方便程序的调试。
　　(4)1个8路10位A/D转换器包含16个模拟输入，每个通道的转换时间低于2.44μs。这样就可以将CCD（一种光电元件）产生的模拟信号直接送入CPU中，而不需要额外的模数转换电路并简化了软件编程。
　　(5)2个32位定时器/计数器(带4路捕获和4路比较通道)满足了系统对CCD控制信号输入的需求，PWM单元（6路输出）可以直接产生CCD所需的脉冲信号。
　　(6)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I²C接口（400kbps）及SPI和SSP串行接口，满足了与外界实时通讯的需求。
　　(7)多达47个(可承受5V电压)的通用I/O口和9个边沿或电平触发的外部中断引脚，可用于RS-485命令接收报告、CCD状态、指示灯控制等。
　　(8)通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL稳定时间为100μs。
　　(9)单电源供电，含上电复位(POR)和掉电检测(POR)电路，支持空闲和掉电2个低功耗模式，通过外部中断可将处理器从掉电模式中唤醒，根据需要设置不同的工作方式可降低系统功耗^[2]。
　　用LPC2132实现挠度传感器功能的硬件连接如图2所示。

2.1 LPC2132与CCD的连接
　　CCD(Charge Couple Device)由一系列相邻的MOS(金属氧化物半导体)存储单元构成。其工作原理是：光敏元在受到外界光照射时可以产生电荷，此电荷被存储在MOS存储单元中，而产生电荷的多少与光的强度和照射时间成正比。在一定时序的外加电压驱动下，CCD中存储的电荷可以一个接一个地顺序移出，这样，CCD的输出端就产生了与存储电荷成正比的输出电压。CCD主要用于图像的记录、存储等方面。
　　本系统中CCD属于光学液面位移识别部分，其主要作用是识别液体位移传导部分中的液体位移的变化量。因此在介绍LPC2132与CCD的连接之前，先介绍一下光学液面位移识别部分的工作原理和构成，如图3。

　　图3所示的透明管通过液体管道与桥墩处的液体箱连接，它们共同构成液体位移传导部分。在实际应用中透明管总是与水平面保持垂直。当发生挠度变化时桥梁带动传感器一起做竖向位移运动，这样位于传感器内部的透明管就与其中的液体产生了相对运动，感觉上就好象是液体在透明管中上下运动。
　　光学液面位移识别部分主要由透明管、光源、透镜及CCD组成。透明管中的液体为不透明状，由若干个LED组成的线光源发出的均匀光将透明管的背景照亮。由于光在不同介质中的折射率不同，使得通过透镜后玻璃管的成像在CCD的中间部分形成一条暗带，上下边缘部分的透射光相对较强，形成亮带，中间暗带的宽度为玻璃管内液柱在CCD上的成像，通过像的大小来获取液面的高低，从而达到识别液位的目的。
　　本系统中CCD采用的是日本TOSHIBA公司生产的线阵CCD产品TCD1208AP。它具有2160个像元，像元尺寸及间距为14μm×14μm，灵敏度高，暗电流低，工作电压为单一的5V，为二相输出的线阵CCD器件，是早期TCD142D的改进型，价格低廉，灵敏度高，应用广泛。采用ARM系列微处理机可极大地简化其驱动电路，增强其工作稳定性。
　　TCD1208AP采用二相驱动脉冲工作，时序脉冲驱动电路提供四路工作脉冲：光积分脉冲SH，电荷转移脉冲F11、F12，输出复位脉冲RS 。具体实现时，用一路PWM做RS，对RS处理后通过74HC74进行两分频，产生F11、F12。通过定时器控制通用I/O口产生SH信号。驱动脉冲的电平采用74HC04加上拉电阻控制。由于线阵CCD的典型复位脉冲是1 MHz，对单片机的速度有一个最低要求，所以要实现这种驱动方法必须使用指令周期小于1μs的单片机。ARM单片机的时钟高达60MHz，完全能满足要求。
　　从CCD得到的模拟信号可直接送入LPC2132内部的A/D转换器进行处理。
2.2 LPC2132与SN65HVD3082的连接
　　因为在系统中需要对几十个点进行挠度检测，且每套挠度传感器只是整个系统的一个基本单元。它既需要外部输入一些必要的信息，同时，也需要向外部输出自身的运行参数和状态。为了满足设备控制的要求，采用了网络控制技术，即将众多设备有机地连成一体，以保证整个系统安全可靠地运行。系统采用RS-485总线方式组成整个传感器网络，可以实现系统的多机通讯。由于485总线是异步半双工的通信总线，即在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询通信。总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其他的分机，本系统中的高速数据采集设备充当了主机的角色。
　　系统中的RS-485驱动器采用TI公司的485驱动芯片SN65HVD3082。该芯片体积小，功耗极低，在1/8负载下可以同时驱动多达256个相同接口的设备，驱动速率可以达到200kbps。在应用工程系统的现场施工中，由于通信载体一般是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以在线路设计时，RS-485网络传输线的始端和末端应各接1只120Ω的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射^[3]。原因是导线和地之间也存在分布电容，虽然很小，但在分析时也不能忽视。
2.3 LPC2132与其他部分的连接
　　与LPC2132连接的其他部分还有系统时钟电路、复位电路和JTAG接口电路等。这几部分比较简单。 LPC2100系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。倘若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围为1MHz～30MHz，外部时钟频率范围为1MHz～50MHz；若使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率范围为10MHz～25MHz，外部时钟频率范围为10MHz～25MHz。这套系统使用了外部11.0592MHz晶振，这样可以使串口的波特率更精确，同时也能够支持LPC2132微控制器芯片内部PLL功能及ISP功能。由于ARM芯片具有高速、低功耗、低工作电压等特点，致使其噪声容限低，因此对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面提出了更高的要求。本系统的复位电路使用了CAT809T电源监控芯片，复位延时可达250ms，RESET产生的复位脉冲完全满足时序的需要。另外系统还预留了JTAG接口电路，以方便调试和下载程序。
3 传感器软件部分设计
　　系统软件开发工具采用ADS集成开发环境。此开发工具是ARM公司推出的ARM核处理器集成开发工具，英文全称为ARM Developer Suite，成熟版本为ADS1.2。ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列处理器，支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编、C、C++源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点。程序流程如图4所示。

4 系统性能分析及试验数据
4.1 系统测挠精度
　　传感系统的电路均为数字电路，所传递的均是数值，CCD传感器在空间上是数字化的，所以系统的精度由光学成像部分决定。目前系统的光学分辨率为0.098mm，优于0.1mm，足够测试桥梁挠度变形。
4.2 传感系统频响特性
　　静态响应特性。当液体管中的液面静止时，静止的液面会使传感器输出固定值，即传感器具有零频响应的特性。大量的实验和现场测试都证明了传感器确实具有零频直流响应，因此，利用传感器的这个特性可以监测桥梁的静态变形。
　　动态响应特性。传感器动态特性试验方法为用振动台带动液体箱做垂直周期振动，水箱的位移通过50m管道传递给位置固定的液位传感器，在上位机的软件中读取传感器的输出数据，在不同频率下得到的数据如表1所示。

　　由表1可以求得系统的精度在9.5/101～9.5/110之间，分辨率在0.1mm以内，达到了桥梁挠度值的监测标准。
5 应用实例
　　光电式液位挠度传感器在山西新原高速小沟特大桥上已经成功地连续运行了将近一年，证明系统具有相当的稳定性、可靠性。
　　图5为从监控中心中的上位机软件LabView^[4]中截取的桥上过车时的桥梁挠度波形图。图中曲线弯曲度代表了车辆通过时桥梁的挠度，将这些数据实时保存下来就可以得到桥梁长期的挠度变化情况。对这些数据进行定期分析就可了解现阶段桥梁的健康状况。

　　本文的特点是：将连通管的原理应用在挠度传感器中，并利用了ARM CPU的高性能特点，使系统具有自动性能好、精度高、非接触、能连续在线监测等优点。
　　桥梁的光电液位挠度监测系统是比较大的系统。本文只涉及其核心部分(而且是硬件部分，软件部分的工作量也比较大)。以ARM7TDMI-S为内核的LPC2132能够在ADS1.2的调试平台上用标准C语言或C++语言进行编程调试、软件仿真，大大缩短了软件的开发周期。
参考文献
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[2] 周立功，张华.深入浅出ARM7-LPC2132.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3] 张建新，李学敏.电子电路百科全书.北京：科学出版社，1989.
[4] 汪敏生.Lab VIEW基础教程[M].北京：电子工业出版社，2002.