摘 要：撓度是反映橋梁健康狀況的最重要指標(biāo)。本文介紹的基于ARM CPU LPC2132的光電液位撓度傳感器具有成本低，自動性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。這里重點(diǎn)介紹它的硬件構(gòu)成、原理和性能分析。最后以山西高速公路小溝特大橋的安全監(jiān)測系統(tǒng)為實(shí)例來具體介紹本傳感器的使用情況。 關(guān)鍵詞：LPC2132;橋梁監(jiān)測;撓度;傳感器 Abstract: Deflection is indispensable parameters which can indicate the safety status of bridges. The photoelectricity and liquid level deflection sensors （PLLD） based on ARM CPU LPC2132 introduced here are cheaper and of better-automaticity and higher precision and can work on-line continuously without contact. This paper will show the hardware, performance and theory of our new sensor in detail. In the end, a concrete application instance in XiaoGou bridge of ShanXi province will be given. Key words: LPC2132; bridge monitoring ;deflection ; sensor 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(chǔ)設(shè)施,因此其使用的安全性對國民經(jīng)濟(jì)有著舉足輕重的作用。在其服役過程中,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設(shè)施的長期影響,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,不斷發(fā)生的橋梁倒塌等事故對人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的損害。而那些已經(jīng)建成的可能存在隱患的大型橋梁更是存在著巨大的潛在威脅。因此,對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,就顯得非常必要的。而由于橋梁尺寸大,約束點(diǎn)較多,結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜，因此，要對橋梁的健康狀況進(jìn)行全面的評估,需要從不同的側(cè)面（例如：振動、撓度、應(yīng)變等方面）來了解橋梁的狀態(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）是其中的一個必不可少的指標(biāo)。目前，盡管用來測量橋梁撓度的系統(tǒng)已有一些，但能完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動在線監(jiān)測的此類設(shè)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(diǎn)且已成功地在山西小溝高速公路特大橋上得到成功的應(yīng)用。 [align=center] 圖1光電液位撓度監(jiān)測系統(tǒng)示意圖[/align] 　　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。傳感器的分布根據(jù)用戶需要測量的部位情況而定。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(shè)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(luò)[1]。當(dāng)然也可擁有多個高速數(shù)采（如果需測的點(diǎn)數(shù)多）。多個高速數(shù)采可連接到一個以太網(wǎng)設(shè)備上，由以太網(wǎng)設(shè)備通過光纖等外部線路將數(shù)據(jù)傳送監(jiān)控中心進(jìn)行顯示和分析。 　　撓度傳感器是本監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，它的主要任務(wù)對上位機(jī)發(fā)來的命令進(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)橋墩處是保持靜態(tài)不動的，而此時(shí)傳感器內(nèi)部的液體位移傳導(dǎo)部分就會產(chǎn)生位移變化即撓度變形值，此時(shí)光學(xué)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(jìn)行濾波,A/D轉(zhuǎn)換等一系列操作,將最終得到的數(shù)字信號量通過RS-485總線送到以太網(wǎng)設(shè)備,然后由以太網(wǎng)設(shè)備將收到數(shù)據(jù)楨轉(zhuǎn)化TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)通過光纖等外部網(wǎng)絡(luò)傳給監(jiān)控中心。 2 32位機(jī)LPC2132在光電液位撓度監(jiān)測系統(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帶有：①16K片內(nèi)靜態(tài)RAM 64K和片內(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(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。③EmbeddedICE-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。④1個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器共包含16個模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低于2.44us。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(zhuǎn)換電路了且簡化了軟件編程。⑤2個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CCD控制信號的輸入的需求，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(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C接口（400Kb/s）及SPI和SSP串行接口滿足了與外界實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊的需求。⑦多達(dá)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(bào)告、CCD狀態(tài)、指示燈控制等;⑧通過片內(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100us;⑨單電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（POR）電路，支持2個低功耗模式：空閑和掉電，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(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圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 LPC2132的硬件連接圖[/align] 　　2.1 LPC2132與CCD的連接 　　CCD是charge couple device的簡稱，是由一系列相鄰的MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）存儲單元構(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，此電荷被存儲在MOS存儲單元中，而產(chǎn)生的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。因此它主要用于圖像的記錄、存儲等方面。 　　在本系統(tǒng)中CCD屬于光學(xué)液面位移識別部分，它的主要作用是識別液體位移傳導(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)液面位移識別部分的工作原理和構(gòu)成，如圖3。 [align=center] 圖3 光學(xué)液面位移識別部分 原理圖[/align] 　　圖3中所示的透明管通過液體管道與橋墩處的液體箱相連接，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)橋梁帶動傳感器一起做豎向位移運(yùn)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(yùn)動。給我們的感覺就好象是液體在透明管中上下運(yùn)動。 　　光學(xué)液面位移識別部分主要由透明管，光源，透鏡，以及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，由于光在不同形狀介質(zhì)中的折射率不同，使得通過透鏡后玻璃管的像在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(qiáng)，形成亮帶，中間暗帶的寬度為玻璃管內(nèi)液柱在CCD上所成的像，通過像的大小來獲取液面的高低，從而達(dá)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14mm´14mm，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)可極大地簡化其驅(qū)動電路，增強(qiáng)其工作穩(wěn)定性。 　　TCD1208AP是采用二相驅(qū)動脈沖工作，時(shí)序脈沖驅(qū)動電路提供四路工作脈沖：即光積分脈沖SH，電荷轉(zhuǎn)移脈沖F11、F12，輸出復(fù)位脈沖RS 。在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，用一路PWM做RS，對RS處理后通過74HC74進(jìn)行兩分頻，產(chǎn)生F11、F12。通過定時(shí)器控制通用IO口來產(chǎn)生SH信號。驅(qū)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(fù)位脈沖是1 MHz，對單片機(jī)的速度有一個最低要求，所以要實(shí)現(xiàn)這種驅(qū)動方法必須使用指令周期小于1 us的單片機(jī)。ARM單片機(jī)的時(shí)鐘能高達(dá)60MHz，完全能滿足要求。 　　從CCD得到的模擬信號直接送入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)中需要對多達(dá)幾十個點(diǎn)進(jìn)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(shí)，也需要向外部輸出自身的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。所以為了滿足設(shè)備控制的要求，我們采用了網(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與主機(jī)對分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一臺始終處于主機(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)正是主機(jī)的角色。 　　系統(tǒng)中的RS-485驅(qū)動器采用了德州儀器公司的485驅(qū)動芯片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)動多達(dá)256個相同接口的設(shè)備，驅(qū)動速率可以達(dá)到200kb/s。在具體的應(yīng)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，它的特性阻抗是120Ω左右，所以在線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射[3]。這是因?yàn)?，?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是1MHz-30MHz，外部時(shí)鐘頻率范圍是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是10MHz-25MHz，外部時(shí)鐘頻率范圍是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)，導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、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。在本系統(tǒng)中，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接口電路來方便調(diào)試和下載程序。 3 系統(tǒng)的性能分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù) 　　3.1系統(tǒng)測撓的精度 　　傳感系統(tǒng)的電路均為數(shù)字電路，傳輸系統(tǒng)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)的精度是由光學(xué)成像部分決定的，目前系統(tǒng)的光學(xué)分辨率為0.098mm，也就是優(yōu)于0.1mm，足夠測試橋梁撓度變形。 　　3.2 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)，靜止的液面會使傳感器輸出固定值，也就是說傳感器具有零頻響應(yīng)的特性，大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試都證明了傳感器確實(shí)具有0Hz直流響應(yīng)，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(yīng)特性：我們通過大量的實(shí)驗(yàn)測試了傳感器的動態(tài)特性。試驗(yàn)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(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)如表一所示。 　　表一：液位傳感器的動態(tài)響應(yīng)表（在本次實(shí)驗(yàn)中水箱的行程：47.5mm-38.4mm,計(jì)9.5mm。） 　　由表一可以求得系統(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)測標(biāo)準(zhǔn)。 4 具體的應(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)得到了成功的運(yùn)用，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了將近一年，證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。 　　圖4、5為從監(jiān)控中心中的上位機(jī)軟件LabView[4]中截取的橋上過車時(shí)的橋梁撓度波形圖。. [align=center] 圖4只有一輛車通過橋梁時(shí)橋梁的撓度波形 圖5 多輛車連續(xù)通過橋梁時(shí)橋梁的撓度波形[/align] 　　圖中曲線彎曲度代表了車輛通過時(shí)橋梁的撓度，將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(jìn)行定期分析就可了解現(xiàn)階段橋梁的健康狀況。 5 結(jié)束語 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：將連通管的原理應(yīng)用在了撓度傳感器中，并利用了ARM CPU的高性能特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動性能好、精度高、非接觸、能連續(xù)在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn) 　　橋梁的光電液位撓度監(jiān)測系統(tǒng)是個比較大的系統(tǒng)。本文只涉及到它的核心部分，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(biāo)準(zhǔn)C語言或C++語言進(jìn)行編程調(diào)試、軟件仿真，大大縮短了軟件的開發(fā)周期。 參考文獻(xiàn). 　　[1] 燕延,陳保平,馬增強(qiáng)等. 網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程橋梁健康狀態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,8 　　[2] 周立功,張華.深入淺出ARM7-LPC2132. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005 　　[3] 張建新,李學(xué)敏.電子電路百科全書. 北京：科學(xué)出版社,1989 　　[4] 汪敏生. Lab VIEW基礎(chǔ)教程 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2002