（电路与系统专业论文）基于μcosⅡ振弦传感器测频系统的设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 振弦式传感器测频系统主要用于水电工程和其它岩土工程的安全自动监测。 通过对大坝和其它建筑物位移，压力，应交等参数的监测，起到预防灾害、辅助 决策、节省人力、确保工程正常运行的作用。它几乎是岩土工程中埋于大坝_ 和建 筑物而能长期给出可靠数据的唯一传感器，结构简单、坚固耐用、长期稳定性好、 精度和分辨力高，输出为频率信号，可与微机直接接口，并且可接长电缆，便于 远距离传输，特别适用于远程监测。因此，广泛应用于水利、水电、铁道，交通、 矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中。 本文论述了一种新型的测量大型构件应力及振动频率的方法，即振弦测频法。 建立了振弦法测量构件应力的数学模型，论述了其工作原理及工作过程，比较了 其与传统测频系统的不同，改进了传统测频系统中采用的方法。同时，本论文还 引入了现在流行的嵌入式操作系统应用技术，并结合改进的振弦式传感器测频系 统进行系统的多任务调度，详细地介绍了振弦式传感器的激振方式和特性，采用 扫频激振技术实现传感器的激振，利用对小信号的滤波、放大技术实现对振弦微 信号的检铡，并结合当前流行的实时操作系统c 幻s i i 实现对系统软件的调度与 管理，设计了一种基于比值采样原理的测量电阻电路。在不提高元件参数性能指 标的情况下，大大提高了测量精度。软件采用c 语言编制了测量半导体电阻和振 弦固有频率的程序以及其它主要模块的应用程序。 通过对振弦测频法的理论与实践分析可知，这一方法很好的满足工程实际的 需要，而且与传统测频方法相比，更适合对大型构件进行长时间测量和现场应用。 关键字：振弦式传感器；频率测量；心o s i i ；比值采样 分类号：t b 9 3 9 ；t p 3 1 6 2 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t v i b r a t i n g - w i r e s e n s o 硌w i t i im e 船u r i n gf e q u e l l c ys y s t e mi sm a i n l yu s e dt oa u t o a t i ca n ds c o mm e 鹊u r e m e n tf o r t h ce n g i n e e r i n go f w a t e ra n de l e c 啊c i t y 粕do t h e rr o c k 舶dd u s te n g i n e e 咖g i tc a np r c d i c td i s 髂t e r ，b e c o m ea n 觞s i s 乜n to f m a i ( i n gap o l i c y ，龇d s a v em a n p o w e rb ym e 嬲u r i n gb i gd a m sa n do t h e rb u i i d i n g s d i s p l a c e m e 呲，p r e s s u 他， s t f a i l l e t c av i b 眦i n gw i 咒n s o ri sa l m o s tt i l co n l ys e 璐o rb u r y i n gi nb i gd 蜀l m s 锄d o t h e rb u i l d i n g si nr o c ka n dd u s te n g i n e e ra n dg i v i n gr e l i a b l ed a t ai nai o n gt i m e i th a sa s i m p l e ，s o i i da n dd u m b l e 蛐m c t i i r e ，al o n gp e r i o ds t a b i i i t y ，a n dh i g hp r e c i s i o n 柚dd i s 啪 一t i o n i t so u t p u ti ss i g no f f e q u e n c y ，“c 孤d i c t i yi n t e r f k ew i t hm i c r o c o m p u t c rb ya i o n gc o n n e c t i o nc a b i ei no r d e rt 0 s m i tal o n gd i s t a n c e ，e s p e c i a l l y ，a p p l y i n gt oal o n g d i s t a n c em e 觞u 他m e n t a sa 他s u 也i ti sw i d e l yu di na l lk i n g so f 酗p e c t s ，s u c h 髂w 姗 c o n s e r v 肌c y 、w g t c r a n de l e c t r i c 蚵、m i l w a y 、们f f i c 、叻l e u m e t c t h i sp a p 盯d i s c u s san e wm e t i i o do f m e 鹤u r i n gs n e s sf o rl a r g e a i cs t n j c t u b y v i b r a t i n gw i m t h cf o l o w i n gc o n 蛔恤a c o n t a i 鹏d i nt i l i st h e s i s ：d c r i v i n gt h em a l he m - a t i c a lm o d e if o r t l l em e t l l o do f v i b 眦i n gw i ；f 0 咖u l a t i n g v e m lw a y so f e o u r a g i n g w i r e ，p r o d u c i f l gt i i ew o d 【i n gp r i 眦i p l e 锄dp r o s s ；c o m l 瑚面gt t i es y s t e i l lw 胁t r a d i t i o 眦l m o d e l ；i m p r o v i n gt h en 氇d i t i o n a lm e t l o d a tt l l e 姗et i m e ，t i i ep a p c rc o m b i n e st i l es y s - t e mw 曲e m b e d d e do p e 枷o ns y s t e m 锄dd e s c r i b 部，d e t a 订e d ，t l l ev i b m t i n gw i 他n s o r w o r k i n gp r i n c p l e 、t h ee x c i t i n gm e t i l o da r i dc h a r a c t e r i s t i c 蝴l y s i s t h ct c c h n o l o 科o f s w p i n g 肌q 啪c y a n de x c i t i i l gv i b r a t i n gw i r ei sa p p l i e d a n d 峨dn ed e t c c t i o no f v b m t i n gw i r e f a i n ts i 驴i sb y 印p i y i n g6 l t c r 锄dm a g n i 母t c c i l i l o l o g y ；a i l du s i n g 心o s - o p e m t i o ns y s t e mt oa n 锄p c r 觚dm 觚a g em es y s t e m 脚黜c o 眦m p o 枷- l y ，协 m e 鹞u r i n gs c m i c o n d u c t o rr e s i s t o r ，am e a s u r i n g m e t i l o db e do nf a t i of o r 鼯m p l i n g 锄d p 陀c i s i o nv o l t a g ct o 缸q u 饥c yc o n v e ri sd e s i 弘e d i nt h ep o s i t i o no f n o ti m p r o v i n g c a p a b 1 时o f c o m p o n e 鸲i tc 觚i m p r o v et h em e 嬲u r e i n c n tp c i s i o nm u c h i nt i l i ss y s t e m ，s o f t 、帕肥f o rm e 鼬u r i n gv i b r a t i n gw i f ef b q u e n c y 锄do t l i e ra p p i y i n gp r o g m m so f t h i sm o d e ia r ep r o g r 啪m e di nci a n g u a g e f r o mt h et i l e o 陀t i c a i 锄de x p c r i m e n t a la n a l y s i s e st ot h cm e t l l o df o rm e a s u r i n g s t r e s si nv i b f a t i n gw 沁w ec 矾c o n c i u d c ，t h i sm e 也o dc 觚n o to n l ym e e tt h es ha r i d e n g i n e e r i n gd e m 狮dc o m p l e t l yi np r c c i s i o n b u ta l s ob cs u p c r i o rt 0t 1 1 em e t h o do f s t i c “n gs t m i ns l i c eo f s i s t a n c e 粕do p t i c a lm e 髂u 咖e n t i i is o m ef i e l d s ，b c c 肌s ei tc 柚 b es u i t a b i et ot i l es p o tm o r ep r o p e r l y dc a nw o r i cf o ral o n g e rt i m e 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：v i b r a t i n g - w i f e - s e n s o r s ；m e 髂u r i n gf m q n c y ； 心，o s - i i ；眦i of o rs a m p l i n c l a s s n o ：t b 9 3 9 ：t p 31 6 2 致谢 本论文是在我的导师侯建军教授的悉心指导和无微不至的关怀下完成的。在 硕士阶段的学习和科研工作中，侯老师始终给予我严格的要求、充分的信任、热 情的鼓励和全面的锻炼机会，才使得本论文能够顺利完成。侯老师渊博的知识、 严谨踏实的治学作风、出色的教学科研能力、高深的学术造诣、一丝不苟的工作 态度以及平易近人的风范，将永远铭刻在我的心中。从侯老师身上我领悟到了许 多做人、做事、傲学问的道理，让我受益终身。 感谢铁道科学研究院杨孚衡教授在我实习期间给我提供了很好的学习平台以 及在学习过程中的鼎立支持和帮助。 感谢崔晓明、宋飞、马媛嫒同学，和你们一起讨论问题使我的专业知识得到 了进一步提高，受益匪浅。感谢在实验室和我一起学习生活过的师兄、师弟、师 姐、师妹们，和你们的相处让我的硕士生活充满了笑声。 最后感谢我的父母以及我的姐姐、妹妹，还有关心我的朋友们，他们的大力 支持和帮助是我学习和生活的支柱，使我顺利完成硕士阶段的学习。 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 研究的背景及意义 l 绪论 振弦式传感器测频系统主要运用于水电工程和其它岩土工程以及大坝、桥梁 建筑的安全监控。水电工程及大坝等设施是国民经济中的基础产业和基础设施， 在社会经济生活和建设以及保障人民生命财产安全方面起着重要的作用。随着经 济的发展，我国的水利水电事业得到不断的开发和利用，并且取得了举世瞩目的 成就。建国以来，我国共修建堤坝8 6 万多座，水库总蓄水量约为5 0 0 0 亿立方米， 相当全国总径流量的六分之一，水库大坝数量及其堤坝长度均居世界之首，这些 堤坝保护着3 亿多人口，4 亿多亩良田和上百座城市的防洪及供水安全，同时在航 运，发电，养殖等方面也发挥了巨大的效益。然而，水电工程和其它工程一样， 都有一个建成使用、渐趋老化直至消亡的过程。随着工程数量的增加和工程使用 时间的增长，工程失事的潜在危险加大，失事几率也随着上升。在近几年，由于 各种原因，几乎所有国家都发生了大小不同的水电工程失事，造成惨重的灾难和 巨额的经济损失，从而，水电工程安全引起了高度的普遍重视，因此，必须加大 对其实施安全监测的力度。 安全监测是通过仪器对一些建筑实体( 比如对大坝坝体、坝基、坝肩、近坝 区岸坡及坝周围环境) 所作的测量和观察，目的就是掌握这些建筑实体的实际性 状，为判断其是否安全运行提供必要的信息保障。近年来，随着微电子技术、计 算机技术和通信技术的飞速发展，国内外一些专家学者也开始着手对这种安全检 测测频系统进行深入的研究，并取得了显著的成果。比如，加拿大的一些公司、 美国的g e k o n 公司、国内的西安交大华腾光电有限公司、南京南瑞集团、南京水利 电力仪器工程公司等先后成功研制了新型测频智能模块，具有可编程功能、可接 入多种传感器等功能，但其在测量精度以及编程软件的可移植方面还有些欠缺。 本课题的研究就是基于上述国内外水电工程安全自动化监测的现状的基础上 开展起来的，它对我国水电工程安全自动化测量具有十分重要的意义，为实现我 国水电工程安全监测自动化、智能化和网络化是一个有意义的尝试，并且具有广 阔的市场前景。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 2 研究的内容 1 2 1 问题的提出 随着国民经济的迅猛发展，水利水电事业在日常工农业中的应用范围更加广 泛，桥梁建筑、岩土工程、水库大坝等工、民用建筑实体规模日益宏大，安全监 测技术在实际中发挥着越来越重要的作用。所以，必须采用一种行之有效的工具 或仪器对其定期检测。而通常采用的监测方法在实践中实现起来有一定的困难和 局限性，因此有必要探索一种新的方法来解决这一特殊的问题，基于心o s i i 操作 系统的振弦法测频系统就是以解决这一类问题为初衷而产生的。 1 2 2 系统的一般构成 目前，测量振弦式传感器产生的频率主要采用以下三种方法：图像识别法( 李 沙育图形法) 。频率计法及传统的单片机加前后台系统法。李沙育图形法和频率 计法虽然操作简单，但由于测量精度太低，远远不能满足当今测量学的要求：单 片机加前后台系统法作为当前振弦测频法的主流，在一定领域还仍然使用，但其 过分依赖传统的模拟电路和数字电路技术，需要的硬件多，电路较复杂，程序代 码过于庞大，且稳定性较差，测试精度、可靠性均不能满足野外工程的需要，有 逐渐被市场淘汰的趋势；为了克服上述的种种不足，使其能适应不同场合的应用， 本文采用现在流行的嵌入式操作系统应用技术，并结合振弦式传感器测频系统进 行系统的多任务调度，使电路硬件设计大为简化，软件可移植性高，同时测试性能 大大提高，能方便地实现对整个测量过程及控制的自动化处理，该系统的结构框 图如图1 2 1 所示。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 图l2 1测频系统的结构图 测频的具体工作过程是先用扫频激振技术使弦振起来，在弦起振后，撤去激 振信号，弦做衰减振荡，在线圈中形成感应电动势，然后由后续的微电动势频率 拾取电路对微弱电动势放大并进行信号处理得到频率信号，这个频率即为振弦的 固有频率。然后，由微控制器测得此频率并进行数据处理近一步得到待测物理量 ( 如应变和压力等) ，在显示屏上得出数据。 微处理器作为数据端的控制核心，选用a t i m l 公司的a r m e g a l 2 8 实现对电 路各个子模块的控制，同时负责把多路传感器信号分时传输；激振单元充分利用 a v r 微处理器能够产生可程控p w m 脉冲的特点，采用一种自适应激振技术，使 微处理器产生的频率信号通过传感器内部的感应线圈可以自动适应被测频率，从 而保证了振弦的可靠起振并极大抑制了对测量产生影响的高次谐波，确保系统能 获得高精度的测量结果；拾振单元对所选择的传感器信号进行放大，滤波，以便 后续电路的精确测量，采用等精度测频技术，使用两组计数器。其中一组( 由处 理器内部两个1 6 位计数器组3 2 位计数器) 用以计数标准频率的信号计数值。另 一组( 利用处理器内部8 位计数器) 用以记录被测频率的信号计数值。并且控制 两组计数器同时开始，同时结束计数；存储单元选用r a 删n 公司f 1 8 0 8 ( 铁电性 随机存储器f e r f o e l e c 喇cr a m ) 芯片，具有非易失性的存储特性，极大的方便了系 统数据的存储。输入控制电路主要由按键组成，用来控制电路的工作走向。 1 2 3 本课题的主要任务 根据前面分析的内容及检测原理，本课题主要研究以下几方面的内容。 北京交通大学硕士学位论文 1 弦振动法测频率的理论建模 2 激振及信号处理电路的研究和调试 3 拾振装置的确定 4 pc o s i i 操作系统的移植 5 单片机应力计算和程序的设计 1 3 系统设计要求及性能指标 振弦测频系统主要应用于水电工程( 如大坝，桥梁等) 的自动监测。测量模块 长期在野外工作，因而对系统的运行条件要求比较严格，系统的共性要求有如下 几点： 1 传感器的通道，电源及通信口应有完备的抗雷击措施 2 所有模块采用专用电源模块供电，设计时应采用低功耗器件 3 所有模块的工作温度为一1 0 一十6 0 4 系统可以接入若干个不同模块，模块采用软地址 5 。测量精度：频率l h z 6 频率测量范围：频率4 0 0 h z 一4 5 0 0 h z 7 温度：1 0 一+ 6 0 8 功率：间断式 样i n c l u d e 这部分代码主要起到了说明项目文件的作用。即通过其中的# i n c l u d e 语句， 将心0 s i i 中与c p u 无关的代码部分集中起来。用户在移植p c 0 s 时，只要 将这一心o s 一c 文件包含在自己的项目中，即可以很方便地将h c ，o s i i 中所有 的与c p u 无关的代码均包含到移植的代码中。 2 修改与c p u 相关的数据类型的定义 因为不同的微处理器有不同的字长，所以c o s i i 的移植包含了一系列的数 据类型的定义以确保其移植的可能性因此，需要察看编译手册，并找到对应l i c 0 s 的数据类型对于这一部分的修改，主要包含在c ，o s 的o s c p u h 中，具体修改如下 t y p e d e f u n s i g f l e dc h a rb 0 0 l e a n ； t y p e d e f u n s i g n e dc h 盯i n t 8 u ： 肛 无符号8 位整数 幸 t y p e d e f s i g n c dc h 盯f n t 8 s ； 幸有符号8 位整数衫 t y p e d e fu n s i g i l c dc h 盯o s _ c p u s r ；序c p u 寄存器宽度杉 3 开关中断的控制 北京交通大学硕士学位论文 uo ，o s 实时操作系统的应用 与所有的实时内核一样，心o s i i 需要先禁止中断再访问代码的临