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中南丈学硕士学位论文 桥梁状态检测与智能故障诊断系统的研究 摘要 本文主要针对“便携式桥梁状态检测仪及智能故障诊断系统”的实现方法 和理论进行了研究。该系统主要检测桥梁的横向振频、横向振幅、纵向振频、 纵向振幅和动挠度五个参数，然后根据检测结果利用神经网络对桥梁的综合质 量及其预测给出了定量数据。 我们采用独特的p d a ( 掌上电脑) 和m c s 5 1 组成的两级测控系统，有效 缩小了系统的体积和重量，使得系统适于便携式应用。在我们的系统中采用高 精度的倾角传感器，利用测量桥梁的倾角并通过i i r 滤波和f f t 等处理方法来 计算桥梁的指标。该系统利用一个传感器解决了横向振频、横向振幅、纵向振 频、纵向振幅和动挠度五个参数的检测问题。我们对桥梁故障诊断进行了初步 研究，以所检测的参数作为特征参数运用b p 神经网络对桥梁的综合质量及其 发展趋势作出了初步判断及预测。 桥梁状态检测及其智能故障诊断是一个具有发展潜力的研究领域，具有很 大的实际应用价值。本文的研究及其在工程实践中获得的满意的效果，证明了 我们研究方向的正确性。现在，我们正在围绕该方向展开更加深入和系统的研 究。 关键词：故障诊断状态检测动挠度人工神经网络b p 算法 中南丈学硕士学位论文 s t u d y o nt h e b r i d g es t a t ee x a m i a t i o na n d i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m a b s t r a c t ： t h i sa r “c l ef o c u s e so nt h er e a l i z a t i o n m e t h o d o l o g yo ft h eb r i d g e s 协t e e x a m i n a t i o na n d i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m t h es y s t c mf i r s t0 b t a i nt h ef i v e d a t ao fab r i d g e ，t h e 5 ed a t ai n c l u d eb o z o n t a la n l p l i l l 】d e 、h o r i z o n t a lf e q u e n c y 、 v e n i c a la m p l i t u d e 、v e n i c a lf r e q u e n c ya n dd y n a m i cn e x i b i l i t y ，t h e nu s et h ed a t at o g e tt h es y n t h e s i sq u a l i t ya n dt h ee s t i m a t eo ff h t u f es y n t h e s i sq u a l i t yt h r o u g ht h e i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m w eu s ep d aa n dm c s 51 s i n g l ec h i pc o m p u t e r ，a n dt h i sm e t h o dn o to n l y g f e a t l yr e d u c e dt h ev o i u m ea n dw e i 曲to fm ei n s t f u m e n ta n dm a d ei te a s y f o r p o r t a b l eu s e t h es y s t e mu s eh i g hp r e c i 8 i o no b i i q u i t ys e n s o r ，a n dv i ae x a m i n e t h e o b l i q u t yo ft h eb r i d g et oc o m p u t e rt h ep a r a m e t e r sb yi i r 例t e fa n df f tt h e s v s t e mu s eo n es e n s o fs o l v e dt h ee x a m i n a t i o np r o b l e mo f h o r i z o n 协1a m p l i t u d e 、 h o r i z o n t a l f r e q u e n c y 、 v e n i c a l a m p l i t u d e 、 v e r t i c 8 l f k q u e n c y a n d d y n a m i c f l e x i b i l i t y w es t u d i e dt h ei n t e h i g e n t f i a u l t d i a g n o s e sf o rab n d g e ，a n du s et h e p a r a m e t e rm a te x a m i n e db y t h ei n s t r u m e n ta sc h a r a c t e r i s 石cp a r a m e t e r ，t h e no b t a i n t h es y n t h e s i sq u a l i t ya n dt h ee s t i m a t eo ff u t u r es y n t h e s i sq u a l i t yo f ab r i d g eb yb p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k b r i d g es t a t e e x a m i n a t i o na n di n t e l l i g e n tf h u l td i a g n o s i si sar e s e a r c hf i e l d t h a th a sd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l ，a n dr e s e a r c ho nt h ef i e l dh a sp r a c t i c a l i t yv a l u e t h ef e s e a r c ho ft h i sa n i c l ea n dt h eg o o dr e s u l to fo u rd e v i c eu s e di np f a c t i c e 口r o v e dt h ec o r r e c t n e s so f o u rr e s e a r c h a n dn o w ，w ea r ed o i n gm o r er e s e a r c hw o r k i nt h i sf i e l dt h o r o u g h l ya n ds y n t h e s i z e d k e y w o r d s ：f a u l t d i a g n d s i s ， s t a t ee x a m i n a t i o n ，d y n a m i cf l e x i b i l “y a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，b pa l g o r i t h m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行盼研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同 工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：曹官宇 日期：冽年厂月7 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：曹宫9 导师签名：乾，日期：。叫年f 月孑日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 桥梁状态检测概述 桥梁在修建过程和竣工以后的运营期间，由于各种因素的影响，桥梁状态都 会产生变化。这种变化在一定限度之内，应认为是正常的现象，但如果因为种种 原因比如说：桥梁过载、结构损伤和局部材质恶化等而使得桥梁状态参数超过了 规定的限度，就会影响桥梁的正常使用，严重时还会危及桥梁的安全，甚至影璃 车辆运营的安全，所以，对桥梁的结构状态和各种技术指标进行定期检测和预防 性维护是保证其质量与安全性的重要手段，因此必须定期对桥梁进行监视观测。 桥梁状态的变化可分为静态变化和动态变化。静态变化通常是指桥梁观测的 结果只表示在某一期间内的变化值，也就是说，它只是时间的函数。动态变化是 指在外力影响下而产生的变化，它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的 变化，其观测结果是表示桥梁状态在某个时刻的瞬时变化。桥梁状态变化产生的 原因主要是由以下三方面的原因引起的。一是自然条件及其变化，郎横墩台地基 的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度、水位变化以及地震等。例 如桥墩台基础的地质条件不同，会引起桥墩台不均匀沉陷，使其产生倾斜或使增 台本身产生裂缝：各桥墩台基础的地质条件不同，有的稳定，有的不稳定。会引 起各桥墩台之间不均匀沉陷，使桥跨结构( 如钢梁或钢筋混凝土梁) 倾斜；由于土 基的塑性变形将引起均匀沉陷：由于温度与水位季节性和周期性的变化以及水流 方向的变化，桥梁将产生规律变形。二是与桥梁本身相联系的原因，即作用在桥 梁上部结构的恒载与作用在墩台的恒载、墩台与梁的结构、型式以及活载( 车辆 通过时的震动、风力等) 的作用。三是由于勘测、设计、施工以及运营管理工作 不合理，也会使桥梁产生额外的变形“j 。 为了完成桥梁状态观测的任务，需要根据桥梁状态变化的特点、大小和速度 等因素选择观测方法。合理地设计方案，确定观测精度和观测周期等都是桥梁观 测过程中应该认真考虑的问题。目前，对运营线上的桥梁技术参数的测试试验多 利用列车作为激振源来评估桥梁的技术状态。进行振动测试对桥梁状态检测十分 中南大学硕士学位论文 重要t 首先，振动测试可以得到在运营中桥梁振动的幅值大小、频率成分及桥梁 动态参数。第二，根据桥梁振动信号可以分板桥梁妁工作状态、刿断桥梁有无故 障、故障的性质和部位。一般来说，振动测试主要测试指标有：列车运行至桥上 时，强迫振动下的纵向与横向振频、振幅；列车离桥后的自振频率；以及桥梁的 静、动挠度。其中，桥梁动挠度是个综合性的指标，反映了桥粱结构的竖囱整 体刚度，从挠度的动态数值分析中可以得出载荷的冲击系数和结构内力分布状 态，从而判断桥梁的薄弱部位及结构的整体性，据其动挠度曲线的变化情况可以 判断出桥梁是否状态正常，是否需要修复或停用，以防事故的发生1 2 j 【“。在桥梁 检定、危桥改造和新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的动、静态挠度值。因而 桥粱的挠度测量是关系到桥梁安危、运输畅通的大问题，具有非常重要的意义。 桥粱的挠度测量必须定期进行。 1 2 国内外桥梁检测技术的发展现状 目前对桥梁结构状态的检测方法主要有表观检测法和仪器检测法。表观检测 通过人的视察对结构的外在状态进行调查，但当桥梁结构内部出现损伤和不易观 察的结构部位出现损伤时不能及时发现，且该方法不自获得桥梁结构参数的定量 分析。而仪器检测则是在特定的测试条件下，通过布置大量传感器，采用专用测 试仪器进行集中试验与测试。现在，对运营线上的桥梁技术参数的测试试验一般 利用列车作为激振源来评估桥梁的技术状态。对桥梁振频、振幅的测量，目前有 比较成熟的方法( 振动试验法) ；静挠度的测量也比较简单。困扰桥梁测量的主 要技术参数是如何对桥梁的动挠度进行测量。下面主要就动挠度的测量方法进行 分析。 传统的铁路桥粱挠度测量大多采用弹簧拉钢丝的方法。在桥下有水或没有固 定点的情况下，一般采用标尺经纬仪或全站仪进行测量。这些方法目前在我国桥 梁检测及验收鉴定中仍广泛采用。他们的主要特性如下： 一、弹簧拉钢丝方法用于测量陆地上的桥梁挠度，测量值中包含有桥墩在荷 载作用下的沉陷量，而且在进行动态挠度测试时，钢丝的抖动和钢丝弹性变形的 影响一真不能很好解决，影响动态测试精度p j 。 中南丈学硕士学位论文 二、标尺经纬仪只能用来测量静态挠度，因观测者的观测方法和经验不同而 带来的观测误差往往使数据离散。全站仪在比较潮湿的气候条件下发出的光线产 生折射，也会产生观测误差，而且使用受气候条件的限制。 近年来，随着传感器与测试技术、计算机技术、信号处理技术及网络通讯技 术的发展，许多桥梁工作者提出了一些新的挠度测试方法，这些方法与传统的测 试方法相比，有所突破，其中有很多非接触检测桥梁挠度的方法，解决了过去的 测试方法中不能解决的闷题。举倒如下： 一、激光准直感光法用一束准直激光射向放蔑在桥梁被测点上的低感光度照 相底片，当歹l j 车通过对，感光底片相对激光束振动，并在其上留下桥梁振动的痕 迹，测量该痕迹，即可得到桥梁动挠度数据。该法操作简单，成本较低，但无振 动过程和详细数据记录【5 】f 6 】。 二、光电成像和c c d 摄像法；该方法采用标准摄像头对准安装在桥梁上的 靶标，将其振动的情况拍摄下来，然后通过图象处理方法获得桥梁的动、静挠度。 该方法的应用一方面会受到逾理位置的影响，并且测量过程较复杂；另外由于采 用标准摄像头，会导致被测高频信号( 2 5 h z ) 丢失，且难以实现多点同步测量 嘲。 三、分耀式光纤传感器测量法将光纤传感器埋入预应力构件内部，可同时测 量桥梁应力、形变、负荷及温度等多种参数，并可通过互联网传送传感器数据， 从而实现远程实时检灞和监控。但该方法只能在桥梁建造时实施，且费用昂贵， 对已建成在用的桥梁是不适用的f ”。 四、用加速度计测量桥梁的加速度，再通过两次积分，求得桥梁的挠度。加 速度与位移之间的关系为x = 国2 x 。从理论上讲只要铡得结构的加速度和频率， 通过积分是可以求得位移的。当火车通过桥梁时，所测得的振动是多种振动的组 合，主要有粱体本身的自振，结构的超低频振动，钢轨传来的高频振动等。虽然 利用伺服式加速度计的零频特性可以测量常加速度，但选用加速度计测量挠度依 然存在如下问题： 1 由于高频分量掩盖了低频信息，即使采用低通滤波器，也很难提取低频 分量。 中南大学硕士学位论文 2 低频分量的加速度值接近或小于加速度计的分辨率，准静态下8 0 m 的跨 桥的加速度已进入1 0 _ 6 臌s 2 量级，两比较好的加速度计的分辨率为 ( 1 5 ) x l o - 5 m s 2 。 3 采用加速度计经过两次积分求挠度，存在长周期两次积分器的漂移及积 分幅值误差较大的缺点。所以，不宜采用普通加速度计来测量桥梁的挠度。 综上所述，传统方法和新方法中都没有很理想的测量动挠度的方法，都有这 样那样的不足。 1 。3 便携式桥梁状态检测仪的提出 桥梁的维护与保养是保证其质量与安全性的重要手段，面维护保养的依据就 是对桥梁的各种技术指标和技术参数进行定期检测，并做到心中有数。目前，对 桥梁的检查手段主要有两种：一是凭人工经验进行目测检查，这对于刚建不久或 产生突变故障的桥是可以的，但没有数据记录；二是由专业的桥梁检测队在特定 的测试条件下，通过布置大量传感器，采用专用测试仪器进行集中试验f 9 j 。这种 专业方法检测项目全面、获得的数据量大且较准，可以对桥梁作全面技术分析， 但检测费用高、过程复杂，需要大量的人力、物力、且由于每个铁路局只有一支 这样的专业检测队伍，桥梁设备得不到及时的检测，而且对于象桥梁寿命、构件 的疲劳损伤程度等技术参数，一般也难以得出定量的准确预测值。 鉴于表观检测法和现有仪器检测法的不足，为了避免人工目测的经验性和专 业检测的复杂性，我们研制了“便携式桥梁状态参数检测仪及智能故障诊断系 统”。该仪器采用高精度的倾角传感器，利用测量桥梁的倾角来计算桥梁的各项 指标，除能检测横向和纵向的振频、振幅外，还解决了困扰桥粱检测多年的难题 动挠度检测问题：该仪器提供的智能故障诊断系统以前面检测的参数作为特 征参数，运用神经网络技术对桥梁的状态及发展趋势作出判断及预测。系统采用 独特的掌上电脑( p d a ) 作为主控制器，具有体积小、携带方便、操作简单、适 于野外作业特点，能及时的对运营桥梁进行监测，且各项费用低廉。系统可靠性 能好，测试精度高，存储信息量大，并具有掉屯保存数据的功能和与上位机的标 准通信接口等功能。另外，检测数据传到上位机后，经智能故障诊断系统对当前 4 中南大学硕士学位论文 数据和历史数据进行综合分析处理以后，能够给出桥梁的当前状态极其发展趋 势，对桥梁的维护和保养提供重要的依据。该仪器的定位点并不是完全取代专业 检测，它具有两个具体用途；是作为指导日常维护的定量依据；二是作为历史 数据，可供作对桥的使用寿命和疲劳损伤进行分析的主要数据，在一定程度上可 取代一部分桥的专业检测。该仪器在便携式桥梁参数检测系统中处于领先水平， 属国内首创。 1 。4 本文主要内容及结构安排 本文主要针对“便携式桥梁状态检测仪及智能故障诊断系统”白勺构成和原理 进行了探讨。首先从应用现状出发，对该系统的必要性进行了论述，然后分别从 硬件组成和软件处理两个方面进行了研究，最后，对利用b p 神经网络进行桥梁 故障诊断进行了研究和分析。全文工作安排如下： 第一章绪论，首先介绍了桥梁状态检测的概念和意义，然后在对国内外现有 技术进行总结的基础上，提出了我 l 塘q 这套检测系统。第二章首先对检测系统的 组成和测量原理作了描述，然后介绍了测控系统的硬件组成和设计，最后对掌上 电脑的开发进行了分析和总结。第三章主要针对桥梁测量数据的处理进行了论 述。首先对桥梁测试数据处理过程中用到的理论和方法进行了总结，然后介绍了 这些理论的具体应用，最后对处理结果进行了分析和论证，并和专业测量数据进 行对比，验证了该方法的优越性。第四章则主要针对桥梁故障诊断进行了描述， 利用b p 神经网络对前面测得的数据进行了处理，实现了桥梁综合质量的智能判 断和预测。第五章则对全文所作工作进行了总结，并对未来的研究方向进行了展 尊。 中南大学硕士学位论文 第二章桥梁状态检测系统的设计与实现 2 1 系统总体结构 2 1 1 桥梁动挠度检测的理论依据 对于各种预应力梁和钢结构梁的铁路桥，在列车通过时，桥梁的变形是可以 用数学公式描述的【8 l f 9 】，这是检测的理论依据。换言之，若已知桥梁负载，其桥 梁变形是可以计算出来的，而实际上桥梁实时负载是很难知道的，我们通过检测 桥梁某点的倾角，计算出与负载有关的参数，从而算出桥梁的交形参数。 列车通过时，桥梁受力可当成是均匀负载。桥梁在均匀负载作用下的变形 曲线是悬链线方程： y = c c o s h ( 工c ) 其中：c 是与桥梁负载有关的参数，而 y = s i n h ( 工c ) 是桥梁某点的斜率，与该点倾角口有关，即 = t g a 这样，若测得口，就可以算出y ，从而求出c ，即可求出桥梁的变形曲线。 2 1 2 系统总体构成 我们研制的“便携式桥梁状态参数检测仪及智能故障诊断系统”具有携带方 便、操作简单等特点。该系统利用倾角传感器测出了桥梁的横纵向振频、振幅和 桥梁动挠度，该系统还利用b p 神经网络根据检测的数据实现了桥梁状态的综合 判断和预测。 鉴于桥梁测量的野外作业特点，为便于定期检测( 如每周检测一次) ，要求 仪器携带方便、重量轻、现场操作简单方便。为此，我们选用个人电脑、掌上电 6 中南大学硕士学位论文 脑p d a ( 联想天玑5 0 0 0 ) 和m c s 5 l 单片机构成三级测控系统，掌上电脑p d a 和单片机或者计算机的通讯通过r s 2 3 2 串口进行。其中单片枫系统负责现场数 据的采集和预处理：而掌上电脑则负责现场数据存储、参数分析计算等任务，并 给出最终测量结果和显示。个人电脑放在实验室负责将采集的数据进行综合处理 和故障诊断。 整个系统按照硬件组成可以分为信号采集、数据处理和智能故障诊断三个大 的部分。其中信号采集部分由单片机系统完成，数据处理部分主要由掌上电脑完 成，智能故障诊断部分由计算机负责处理。本章主要介绍桥梁检测系统的实现， 包括硬件电路部分、单片机部分、掌上电脑部分以及整个信号处理流程。其中信 号处理的具体设计在第三章详细说明，本章主要介绍其软件的框架。智能故障诊 断部分在第四章具体介绍。 图2 1 系统整体框架 本系统的框架见图2 1 。其中，传感器负责采集信号并把采集到的信号传烈 单片机系统：单片机系统负责对原始信号进行初步处理并把模拟信号转换为数字 信号；p d a 系统负责对数据进行处理，得弱桥粱酌状态参数：智能故障诊断部 分负责桥梁数据的综合处理，并能够预测桥梁状态参数的发展趋势a 前三个部分 都是在桥上做实验，并得出当前测量参数，通过当前测量参数能够初步得出桥梁 的好坏，要想综合判断桥梁的质量，必须借助于智能故障诊断部分的分析和计算， 通过该系统能够综合桥梁的历史状态和当前状态对桥梁的质量做出综合判断，并 对桥梁的参数变化趋势进行预测，及时发现桥梁的潜在隐患a 中南大学硕士学位论文 2 2 测控系统设计 2 2 1 测控系统结构 仪器的检测参数有5 个，即横向的振频、振幅和纵向的振频、振幅及纵向动 挠度。为使测量过程简单，应采用尽量少韵传感器，而能同时满足上述参数测量 的传感器不多。我们选用的是郑州仪表厂生产的5 5 1 1 型石英挠性伺服加速度计。 该传感器实际是一种力平衡式的伺服系统( 随动系统) 。 图2 2 单片机系统结构图 单片机系统以a n 血l8 9 c 5 1 单片机为核心，传感器采集的信号首先经过滤 波电路进行预处理，然后由a d 转换器转换为数字信号，再通过r s - 2 3 2 接口电 路传到掌上电脑，看门狗用来监控整个系统，以保证系统的可靠性。具体单片机 系统框图见图2 - 2 。由图2 2 可知，测控系统硬件主要包括滤波电路、模拟转换 开关、a d 转换器、r a m 、看门狗电路和通信接口电路。由于桥上工作环境比较 恶略，所以在单片机系统的硬件和软件设计过程中都考虑到了抗干扰技术。下面 分别从硬件组成、软件开发和抗干扰技术三个方面对系统设计进行介绍。 中南大学硕士学位论文 2 2 2 硬件组成 本节主要对测控系统的单片机、传感器、滤波电路、a d 转换器、看门狗电 路和通信接口进行了箍单介绍，并对其应用进行了详细分析。 一、单篾机 我们的测控系统核心为8 9 c 5 l 单片机，该单片机属于m c s 5 1 系列。m c s 5 l 是指由美国帆l 公司( 对了，就是大名鼎鼎的贼l ) 生产的一系列单片祝 的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8 0 3 l ，8 0 5 l ，8 7 5 l ，8 0 3 2 ，8 0 5 2 ， 8 7 5 2 等，其中8 0 5 1 是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8 0 5 1 的基 础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8 0 5 l 来称呼m c s 5 1 系列单片机。姗l 公司将m c s 5 l 的核心技术授权绘了很多其它公司，所以有 很多公司在做以8 0 5 l 为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足 不同的需求，其中8 9 c 5 1 就是这几年在我国非常流行的单片杌，它是由美国 a t m e l 公司开发生产的1 3 ”。 二、传感器 本系统测量信号主要是应用石英挠性伺服加速度计，该加速度计既能测量加 速度也能测量倾角，在我们的桥梁测试系统中主要应用的是其测量倾角的特性e 下面简要介绍一下该传感器的特性和用途。 1 用途 力平衡式伺服加速度计是测量超低频直至零赫( 准静态) 的微g ( 低于 1 0 5 9 l o g ) 加速度以及倾角的良好装置。主要应用领域如下： f 1 ) 用作低频标准。 ( 2 ) 各种交通工其入客车、火车、每车、船舶、飞机等的低频低g 振动测量 及惯性运动记录。 ( 3 ) 各种大型构件，桥梁，水坝，高层建筑等的晃动、振动和倾斜的测量。 ( 4 ) 作为测斜仪的敏感元件，广泛用于观测土石坝，岩土边坡，建筑物基坑， 堤防，地下建筑工程，港务工程等土体内部的水平位移，是上述各工程 中必要的精密检测仪器。 中南大学硕士学位论文 ( 5 ) 石油、地质、冶金、煤炭、矿床等钻探技术中做为钻进方向测量或控制 的精密仪器，广泛用于钻井预斜的测量。 ( 6 ) 平台水平位置和倾斜的测量 本系统主要应用其测量倾角的特性对桥梁进行测量。 2 ，主要技术指标 满刻度量程1 9 1 0 9 电流灵敏度2 口础g 3 m 酬g 电压灵敏度( 标度因数丘，)o 5 v g 。5 v 9 0 频率响应 o l o o h zl 分辨率( d c )1 x l o 哳( 2 角秒) 最大零不平衡( 偏值芷。) 如0 2 9 零不平衡稳定性 5 1 0 。 线性 滞后和重复性 横向灵敏度 重量 尺寸 o 0 2 满刻度 o 0 2 o 5 ( 小于1 2 0 克 击4 0 4 0 使用温度范围 一2 0 。c 8 0 。c 3 倾角测量方法 ( 1 ) 测量原理：测量多指被测物体的倾斜或水平的测量，或指被测面相对于 基准面之间的角度变化量，也可以说是位置变化量。伺服加速度计的敏 感元件实际上是一个单摆系统。当加速度计的敏感轴即输入轴位于水平 面内时，地球重力加速度垂直于加速度计的输入轴，此时重力加速度在 输入轴上的矢量分量等于零，故加速度计输出为其零位输出。当加速 度计输入轴所在平面相对水平面倾斜时( 见图2 0 ) ，地球重力加速度在 ! 塞奎堂堡圭兰垡堡茎 加速度计输入轴上的矢量分量g = 9 0 s i n 口。 、铲 ( 2 ) 计算公式：当被测面倾斜，加速度计输入轴方向感受有地球重力加速度 的矢量分量时，加速度计输出为： 【，出= k o + 丘1 9 0 s i n a 。i i l a ：乌当 ( 2 1 ) l g o a ：a r c s i n 坠：茎! 尺l g o 这就是测量角度时计算公式。当赢层建筑的总高度已知的条件下，测出其倾 斜角即可求出高层建筑或高塔等项部的微位移，或土体岩基相对原始位置倾 斜变形的微位移。 ( 3 ) 测量用的仪器：直流数字电压表或数孚万用表。 综上所述，用该加速度计测量倾角可以达到2 角秒，能够达到测量要求的精 度。 三、滤波电路 根据经验，桥梁实际振动频率一般不高于2 0h z ，因此我们在采集数据之前 加了个挈比雪夫二阶低通滤波电路( 截止频率为2 0 h z ) ，去除高频信号的干扰。 我们加滤波电路，一个方面是要滤撺高频信号的干扰，另一个方面也为软件滤波 提供了必要前提。 四、a d 转换嚣”1 a d 5 7 4 是美国模拟器件公司推出的种高集成度低价格的逐次逼近式1 2 位 a 仍转换器，其内部具有三态数据锁存器，可和8 位或1 6 位微处理器总线直接 中南大学硕士学位论文 接口，是目前国内外应用较多的器件之。a d 5 7 4 内部具有参考电压和时钟电 路，无需外接任何器件，即可独立完成d 转换，给用户提供了很大的方便。 其模拟信号输入范围允许在o + l o v 0 一+ 2 0 v 以及5 v 或1 0 v 之间选择，输出 为单极性二进制原码或双极性偏移二进制码，它可完成8 位转换，也可完成1 2 位转换【”1 。 五、看门狗电路”1 ) ( 2 5 0 4 5 将三种常用的功能：看门狗定时器、电压监视器和f f p r o m 组合在 单个8 p i n 的封装内，大大减小系统成本和电路板空间。看门狗定时器对c p u 提 供了安全运行的保护，一旦系统出现死机，可在超时周期之后发复位信号，强迫 c p u 重新启动。x 2 5 0 4 5 的电压监视器可保证系统免受掉电的影响，一旦v c c 降到2 7 v 以下时，系统复位，防止c p u 误动作。x 2 5 0 4 5 的存储器为c m o s 的 4 0 9 6 位串行曩臻r o m ，遵循三线总线的串行接口协议，提供至少1 0 万次的使用 次数和最小1 0 0 年的数据保存期m 】。 六、通信接口 r s 3 2 3 c 标准是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b b l l 等公司一起开发的1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。这个 标准对串褥通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由 于通行设备厂商都生产与r s 2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标 准，目前已在微机通信接口中广泛采用m 1 。 以上规定说明了r s 3 2 3 c 标准对逻辑电平的定义。对于数据( 信息码) ：逻 辑“1 ”( 传号) 的电平低于3 v ，逻辑“o ”( 空号) 的电平告语+ 3 v ；对于控制 信号；接通状态( o n ) 即信号有效的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效 的电平低于3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查 出来，介于3 + 3 v 之间的电压无意义，低于- 1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压也认为无 意义，因此，实际工作时，应保证电平在( 3 1 5 ) v 之间。 r s - 2 3 2 c 与t t l 转换r s - 2 3 2 c 是用正负电压来表示逻辑状态，与t t l 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的 t t l 器件连接，必须在e n r s - 2 3 2 c 与t t l 电路之间进行电平和逻辑关系的变 一生塑奎兰堡主堂垡堡兰 换。我们在测试系统中双向电平转换是通过m 4 x 2 3 2 芯片完成的。 2 2 3 软件流程 单片机部分软件比较简单，主要完成数据采集和传输的任务，所以我们采用 汇编语言编写。其流程圈见图2 - 4 。 2 2 4 抗干扰技术 开始 1 ，。一一一一一j 图2 4 单片机软件流程图 单片机在应用过程中，干扰是不可避免的，因此单片枫抗干扰问题的解决， 是单片枫应用中的重要环节。在单片机应用系统中，硬件设计上采取一定的技术 措施可以提高系统在工作时的抗干扰能力，如果在进行应用软件的设计过程中， 通过定的技术处理，可以进一步加强系统的抗干扰能力。可以说，在应用软件 设计方面，对系统的抗干扰能力的技术处理，在一定程度上，对抑制干扰、提高 系统工作的可靠性等方面都具有相当重要的作用。因此，软件的抗干扰设计与硬 中南大学硕士学位论文 件的抗干扰设计一样，是单片机应用系统中不可缺少的一项重要内容p 8 】m 】。 形成干扰的基本要素有三个聊】： 一、干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：d u d t ， d i d t 大的地方就是干扰源。如：机车、电气化区段、继电器、可控硅、电机等都 可能成为干扰源。 二、传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰 传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 三、敏感器件，指容易被干扰的对象。如：a d 、d a 变换器，单片机，数 字i c ，弱信号放大器等。 由于桥上工作环境比较恶略，所以我们的测控系统的抗干扰设计就显得尤其 重要。我们根据自己系统的特点，分别从硬件和软件两个方面对干扰进行了抑制。 一、硬件抗干扰的措施 1 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可麓的减小干扰源的d l l d t ，d i ，d t 。这是抗干扰设计中最 优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的d u d t 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的d 埘t 则是在于扰源回 路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。根据我们系统的实际情况，我 们在电路中采取了措施。一是电路板上每个i c 芯片都并接一个o o l 心o ，i 胪 高频电容，减小了i c 对电源的影响。二是电路板布线时避免了9 0 度折线，减少 了高频噪声发射。 2 从干扰的传播路径下手抑制干扰，在系统中采取的措旋主要包括以下几 点( 3 5 ： f 1 ) 电源。由于我们采用蓄电池供电，电源干扰较小。我们在电源线上加电 容进行滤波，滤掉电源的高频和低频干扰。 ( 2 ) 晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶 振外壳接地并固定。 ( 3 ) 电路板分区。强、弱信号，数字、模拟信号都相对单独。 ( 4 ) 用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点接于 1 4 中南大学硕士学位论文 电源地。 ( 5 ) 整个系统采用金属外壳，用以屏蔽外来辐射干扰， 3 提高敏感器件的抗干扰性能，提高敏感器件抗干扰性能的措施如下： ( t ) 布线对尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 ( 2 ) 布线时，电源线和地线尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪 声。 ( 3 ) 对于单片机闲置的i o 口，不要悬空，要接地或接电源。其它i c 的闲置 端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 ( 4 ) 对单片机使用电源监控及看门狗电路，在本系统中使用了x 2 5 0 4 5 ，大幅 度地提高了整个电路的抗干扰性能。 f 5 、i c 器件一般直接焊在电路板上，尽量少用i c 座。 二、软件抗干扰措施 在软件抗干扰方面主要考虑了以下几个问题。 1 减少数据采集误差 对于单片机实时数据采集系统，为提高检测数据的准确性和检测精度，软件 上通常采用数字滤波技术。所谓数字滤波，实际上就是通过一定的计算程序对采 样数据进行处理，剔除尖峰干扰、平滑加工，滤除或减小各种干扰和噪声，实现 多羊中形式的数字化滤波处理功能。数字滤波的方法多种多样，实用中可以根据不 同的测量参数加以选探。在本系统中，我们采用算术平均值法。该方法是采样点 连续采样数次并相加。然后取其算术平均值作为本次采样值。这种方法可以减小 系统的随机干扰对采样结果的影响。 2 解决状态失常的软件方法 为必免因干扰而造成的系统状态失常，我们在软件上采取了以下措施： f i ) 软件冗余。考虑到因偶然干扰因素会使系统输出失败，可反复进行对其 进行输出， ( 2 ) 设置当前输出状态寄存单元。系统运行时不断查询寄存单元的输出状态 信息。一旦输出状态因干扰两失常，可及时恢复正确输出。 f 3 ) 设定自检程序。在计算机内设状态标志，在运行中，对这些状态标志不 断进行检铡，随时掌握系统运行中控制状态是否失常，并且在出现失常 中南大学硕士学位论文 后能及时恢复正常运行。 3 程序非正常运行状态的软件设计对策 干扰引起的程序运行失常主要是因程序指针值受破坏所致。如果程序指针值 改变后超出了应用程序区，计算机就会将非程序区中的随机数作为指令码运行。 如果程序指针值改变后恰巧指向操作数或常数区，则会将这些数据当作指令执 行。这种程序盲目运行的结果，或者导致数据区及工作寄存器中数据遭破坏，或 者因偶然巧合而进入死循环。 勰决的办法如下： r i ) 适当的设置程序陷阱，来强追程序重新开始运行。也就是说，当干扰侵 入使程序指针改变，一旦进入这些非程序区，不论程序指针指向哪一字 节，都会使程序进入“陷阱0 然后追使程序进入复位状态，返回主程序， 我们采用的具体措施是在程序的适当位置加n o p 指令，并配合一定的跳 转指令，一旦程序跳到非法区，运行有限条指令后，都会运行到n o p 指 令然后跳转使程序进入复位状态。 r 2 ) 设置监视跟踪定时器。可以利用定时中断来监视程序运行状态。比如将 定时器的定时时间定为t ，编程时要求在程序中每间隔一段就插入一条 命令，将定时器的时间常数重新装入，定时器重新开始汁，并且要求在 正常运行时无论程序走哪条分支都能使定时器在没有达到定时时间t 时，计算机就能执行到这条刷新定时器时间常数的指令。也就是说在正 常运行时定时器不会出现定时中断。而当程序偏离正常程序或进入死循 环时，团定时器时间常数不能得到刷新，那么当程序飞出后最多不会超 过t 时间，定时器就会产生定时中断，可以利用定时中断服务程序将系 统复位，使程序返回正常循环。这种监视程序运行电路也常配合硬件复 位电路，做成所谓“看门狗”电路。其基本思想是：在硬件上设置一个 单稳态电路，输出端接到单片机的复位端，当系统正常运行时，程序每 间隔一段时间输出给单稳态电路一个脉冲，使其不能翻转。而当程序飞 出后，单稳态电路因得不到这个脉冲，经一定时间后就发生翻转，迫使 单片机“复位”。本系统中正是采用了看门狗结合定时器的方法，使系统 的抗干扰能力大大增强。 1 6 中南大学硕士学位论文 综上所述，通过有效的硬件和软件设计，提高了系统的工作稳定性、可靠性 和正确性。 2 3 掌上电脑的应用软件开发 2 3 1 掌上电脑操作系统w i i i d o w sc e w i n d o 啪c e 是w i n d o w s9 8 疗订的缩略舨，出o u t i k 的袖珍舨、_ 开始按钮 和任务桤组成，是专门为体积小、系统资源要求低、便携式的计算机而设计的。 w i n d o mc e 作为w i n d o w s 家族的新成员，是基于掌上型电脑类的电子设备操作 系统。他是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的w i n 3 2 嵌入式操作系统， 是微软专门为信息设备、移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等非p c 领域 而从头设计的战略性操作系统产品。因此我们特地选择预装了w i n d 0 悄c e 的掌 上电脑( 联想天玑5 0 0 0 ) 。具体配置如下： 处理器：h 妇ls 昀n 酗r m2 0 6 z ，3 2 位低功耗精简指令微处理器： 存储器：r a m1 6 m b y t e ，r o m3 2 m b y t e ； 显示系统：彩色液晶显示器( c s t k l c d ) ，2 4 0 x 3 2 0 分辨率，全屏触摸手 写输入屏； 电源；内置锂离子充电电池，外配电源适配器： 外部接口：1 个通讯接口( 包括u s b 和r s 2 3 2 ) ，一个c f i 型卡插槽( 聊e 1 ) ，外接电源输入插孔。 m i c r o s o f t 姒n d o 、sc e 是一个紧凑、高效的多平台操作系统。它并不是m i c r o s o f t w i l l d o u 弓9 8 的简化版本，而是从底层开始设计建立起来的、用于资源有限平台 的多线程、完全抢占式的多任务操作系统。它的模块设计使它能够被自定义，以 便用在从消费电子设备到专门的工业控制产品等各个领域。 下面各部分简述了w i n d o 、sc e 的主要特性1 2 ”。 一、内核 内核( 操作系统的核心) 提供用于管理线程、内存和资源的系统服务。它包括： 基于w i n 3 2 进程和线程模型的抢占式、基于优先级的线程调度。动态调 整线程优先级的优先级继承系统可以防止优先挤倒茕。 中南大学硕士学位论文 可预测的线程同步机制，包括等待对象。这些机制的例子是命名互斥体、 临界区域，以及命名和末命名的事件对象。 基于动态链接库( d l l ) 的有效内存管理，动态链接库在运行时链接用户 应用程序。 平面的虚拟地址空阀，包含为各个进程保留的3 2 m b 内存。通过改变页 面保护来保护进程内存。 只读内存限o m ) 和随机存储内存( r 枞) 的按需分页。 堆大小只受可用内存的限制。 中断处理控制。您可以将中断请求( 承q ) 映射为硬件中断，并实现自己 的中断服务例程和中断服务线程。 广泛的调式支持，例如它包括实时调试。 二、持久存储 文件系统支持信息的持久存储。它包括： 最多9 个f a t 卷的础l t 文件系统支持。 防止数据丢失的事务文件处理。 对支持分页的设备的按需分页。 f 舡文件系统硖像，允许在断电或需要冷宿动时保存文件系统。 可安装的块设备驱动程序。 三、通信接口 通信接口支持大量技术。它包括： 支持串行通信，包括红外连接。 支持i n t 锄e t 客户应用程序，包括“超文本传输协议”( h t t p ) 和“文件 传输协议”( f t p ) 等协议。 通过i n t e m e t 访问远程文件系统的通用i n t 锄e t 文件系统”( c s ) 转发 器。 晰n d o w ss o c k e t s ( w i i l s o c k ) 1 1 的一个子集，以及对s e c u r es o c k c t s 的支 持。 对无线网络的可配置“传输控制协议i n t e m e t 协议”( t c p 口) 传输层。 用于强壮的红外通信的“红外线数据协会”( i r d a ) 传输层。 中南大学硕士学位论文 用于串行连接网络的“点对点协议”( h ) p ) 和“串行线路接口协议”( s l i p ) 。 通过嘲终驱动程序接口规范( n d i s ) 支持局域弼。 支持管理使用t e l e p h o n y a p i ( r r a p i ) 的电话连接。 通过调制解调器对远程文件系统连接的“远程访问服务”( r a s ) 客户。 四、图形、窗口和事件予系统( g w e s ) g ，e s 模块支持显示文本和图像、接收用户输入所需的图形和窗口功能。它 包括： 支持大量窗口样式，包括层叠窗口。 大量可自定义控件。 支持键盘和输入笔输入。 结合了工具栏和菜单栏功能的命令栏。 当系统内存不足时要求用户采取行动的“内存不足”对话框。 完全的u n i c o d e 支持。 支持以下特性的多平台图形设备接口( g d i ) ： 彩色和灰度显示，多达3 2 位每像素的颜色浓度： 调色板管理： t m e d p e 和光栅字体： 打印机、内存和显示设备描述体( d c ) ： 商级形状绘制和位块传输能力。 ，i n d o 碍售c e 和w i n d o w s9 8 也有很多不同的逾方，也有很多独有的特点，