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1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)測(cè)量終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端構(gòu)成。數(shù)據(jù)測(cè)量終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)及發(fā)送，其主要由傳感器激振驅(qū)動(dòng)電路、拾振電路，GPRS通信模塊電路、NANDflash存儲(chǔ)模塊、太陽能充電控制電路、MCU電路等組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端主要由GPRS通信模塊組成，相當(dāng)于一個(gè)主控制點(diǎn)，它通過地址來識(shí)別各個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量終端，給各個(gè)測(cè)量終端發(fā)送控制命令并從測(cè)量終端回收數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)測(cè)量終端的管理和控制。系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2。

1．1傳感器激振驅(qū)動(dòng)電路因?yàn)殡姶啪€圈電阻很小，流過線圈的電流能達(dá)到200～400mA，STM32的I/O口不能承受，所以，選擇P-MOS(AO3401)來驅(qū)動(dòng)，其電路圖如圖3所示。圖3中，JZ-Contro0是單片機(jī)的一個(gè)GPIO口，這個(gè)GPIO口控制MOS管DS的截止和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)，MOS管D端輸出一個(gè)高電平，截止時(shí)，MOS管D端輸出一個(gè)低電平輸。這樣，通過調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通截止的頻率，就可以得到一個(gè)方波去激勵(lì)振弦傳感器。

1．2拾振電路由于振弦式傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)非常微弱，一般情況下輸出信號(hào)的幅度在300μV～1mV之間，所有需要通過調(diào)理后才能被STM32的I/O口捕獲。圖4是拾振電路原理圖，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過儀表放大器AD8231的放大后，用一個(gè)運(yùn)放組成的二階有源低通濾波電路對(duì)其進(jìn)行低通濾波以去除其高頻雜波，濾波通過運(yùn)放組成的二級(jí)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，二級(jí)放大后對(duì)其進(jìn)行二次濾波，最后通過遲滯比較器把傳感器輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，并將這個(gè)方波信號(hào)通過一個(gè)多路開關(guān)送入STM32的定時(shí)器獲得陣弦的固有頻率。

1．3太陽能充電管理電路因?yàn)橄到y(tǒng)需要全天候不間斷監(jiān)測(cè)，所以，系統(tǒng)采用太陽能結(jié)合可充電鋰電池的供電方案。如圖5所示，太陽能面板將供電給充電管理電路，充電管理電路再給鋰電池充電。該充電管理電路是一個(gè)基于UC2843的Boost變換電路，UC2843是一個(gè)單端輸出型的PWM控制集成電路［6］，只需要在其外圍配置很少的元器件，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效率的Boost變換器。

1．4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路在系統(tǒng)工作中，每個(gè)測(cè)量單元可接16只傳感器，要存儲(chǔ)振弦傳感器的頻率數(shù)據(jù)和傳感器的溫度信息，本系統(tǒng)要用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，所以，有大量數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元中。本系統(tǒng)選擇NANDflash作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)，其電路如圖6。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要有激振程序、拾振程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和無線收發(fā)程序等組成。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是激振程序。在本系統(tǒng)中采用間歇反饋激振法，結(jié)合掃頻激振法來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的激振程序。如圖7，間歇反饋激振法，就是先根據(jù)傳感器的固有頻率初始值，設(shè)定第一次掃頻激振的頻率上限fmax1和下限fmin1，第一次激振后，對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理并測(cè)量其頻率f1。如果第一次拾得的方波個(gè)數(shù)小于n1，則根據(jù)f1來設(shè)定第二次掃頻激振的頻率上限fmax2和下限fmin2，然后測(cè)得第二次激振后傳感器的輸出頻率f2。以此類推，當(dāng)STM32拾得的方波個(gè)數(shù)大于等于n1，則停止激振，此時(shí)測(cè)得的傳感器輸出頻率就是傳感器的固有頻率，記錄這個(gè)頻率，用作下次測(cè)量的初始激振頻率。如果掃頻激振n2次后，STM32拾得的方波個(gè)數(shù)依然小于n1，則報(bào)錯(cuò)。所謂掃頻激振，就是從掃頻頻率下限fmin開始，由STM32的I/O口輸N個(gè)脈沖，后增加δf，直到輸出頻率大于等率掃頻上限fmax。由這4個(gè)參數(shù)決定的掃頻程序框圖如圖8所示。

3系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)的測(cè)試在某長(zhǎng)江大橋下塔柱施工中進(jìn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9所示。

4結(jié)束語

本測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于很多橋梁的施工監(jiān)測(cè)中，通過實(shí)際應(yīng)用和測(cè)試數(shù)據(jù)證明:該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)混凝土應(yīng)變和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，拓展了GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在土木工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)的無線傳輸，具有較好的使用價(jià)值。

作者：鄧霏顏運(yùn)強(qiáng)張誼單位：中國工程物理研究院計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所