基于DTU的加速度強(qiáng)振動(dòng)記錄終端的設(shè)計(jì)*

吳林斌 陳志高 關(guān)偉智 呂 瀚 李家明 吳雄偉

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

基于DTU的加速度強(qiáng)振動(dòng)記錄終端的設(shè)計(jì)*

吳林斌 陳志高 關(guān)偉智 呂 瀚 李家明 吳雄偉

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

設(shè)計(jì)基于DTU的強(qiáng)振記錄終端，采用SOC系列C8051F015型單片機(jī)對(duì)MEMS加速度計(jì)的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，監(jiān)測(cè)待測(cè)體所經(jīng)受的強(qiáng)振加速度值，并通過DTU內(nèi)嵌的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)具有體積小，安裝與操作方便，免維護(hù)等特性。

DTU(Data Transfer unit);GPRS(General Packet Radio Service);強(qiáng)振動(dòng);數(shù)據(jù)采集;濾波

1 引言

低頻強(qiáng)振動(dòng)源會(huì)對(duì)臨近的建筑體產(chǎn)生較大的影響，高層建筑物或橋梁都明確規(guī)定了抗振動(dòng)要求，一旦超過建筑體抗振要求，將可能會(huì)導(dǎo)致建筑體結(jié)構(gòu)變形甚至斷裂，降低建筑體的使用壽命［1］，因此，有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑體所經(jīng)受的振動(dòng)強(qiáng)度，消除安全隱患。

目前，高層建筑物或橋梁主要采用形變監(jiān)測(cè)法或加速度強(qiáng)振儀來檢測(cè)振動(dòng)強(qiáng)度。形變監(jiān)測(cè)法需要在建筑體內(nèi)部布置形變傳感器，一般需要在建筑物施工初期進(jìn)行布點(diǎn)，施工要求較高［2］;而加速度傳感器可直接測(cè)量樓層受力支撐點(diǎn)的加速度峰值，這種測(cè)量方式儀器布點(diǎn)安裝方便，同時(shí)后期數(shù)據(jù)處理方便，可經(jīng)過多次積分獲得振動(dòng)速度和位移數(shù)據(jù)，但普通的加速度強(qiáng)振儀組網(wǎng)時(shí)需要布設(shè)較長(zhǎng)的信號(hào)電纜，對(duì)電纜的強(qiáng)度要求很高，施工復(fù)雜，成本較高。

本文設(shè)計(jì)一種基于DTU的加速度強(qiáng)振動(dòng)記錄終端，通過MEMS加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)物體的振動(dòng)情況，由內(nèi)嵌GPRS無線網(wǎng)絡(luò)直接將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，不需要鋪設(shè)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸電纜，簡(jiǎn)化了設(shè)備安裝方式，組網(wǎng)十分方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

加速度強(qiáng)振動(dòng)記錄終端主要由微機(jī)械加速度傳感器、A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊、通訊模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊和電源模塊等組件組成。通過MEMS加速度傳感器將待測(cè)點(diǎn)的強(qiáng)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.2 DTU模塊設(shè)計(jì)

DTU模塊專用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳送過來的IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串口數(shù)據(jù)，應(yīng)具備GPRS撥號(hào)上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能［4］。

本系統(tǒng)采用MC35通信模塊實(shí)現(xiàn)GPRS撥號(hào)上網(wǎng)，通過ARM芯片SC34510B集成PPP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接，同時(shí)控制MC35芯片實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，DTU模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DTU結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 DTU block diagram

為了保證模塊的穩(wěn)定性，ARM模塊采用三星公司裁剪版Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)與控制，當(dāng)數(shù)據(jù)由串口發(fā)送給DTU模塊時(shí)，DTU模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理單元將讀取串口緩存，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP協(xié)議封裝，并啟動(dòng)內(nèi)嵌的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)INTERNET網(wǎng)絡(luò)IP地址。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理單元

建筑體固有頻率一般在30 Hz以內(nèi)［4］，若施加在建筑體上的振動(dòng)頻率較高，將會(huì)很快衰減，因此，應(yīng)選用較低頻的加速度拾振器來完成加速度的探測(cè)。本設(shè)計(jì)選用HAAM-326型MEMS加速度計(jì)，其量程為±2G，響應(yīng)頻帶為0.1～200 Hz。HAAM-326型加速度計(jì)可以將振動(dòng)加速度值直接轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，輸出電壓值范圍為0.5～1.5 V，該加速度計(jì)采用微集成電子機(jī)械技術(shù)，將水平與垂直3個(gè)方向的加速度傳感器集成在3 mm×3 mm×1 mm的空間內(nèi)，能同時(shí)檢測(cè)3個(gè)正交方向上的振動(dòng)信號(hào)，便于集成安裝［5，6］。

數(shù)據(jù)處理單元模塊采用51系列C8051F015型單片機(jī)作為主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，其內(nèi)部集成了34k程序存儲(chǔ)空間和2k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，功耗較低，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá)24 MHz。為了防止無線數(shù)據(jù)傳輸中斷，在數(shù)據(jù)采集處理外擴(kuò)展一片靜態(tài)存儲(chǔ)器62256，未及時(shí)發(fā)送的加速度數(shù)據(jù)將暫存在外部存儲(chǔ)器中。

為了記錄振動(dòng)事件發(fā)生的事件，在硬件中配置了SD2405AP型時(shí)鐘日歷芯片，該芯片是一種內(nèi)置晶振、帶充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)IIC接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，當(dāng)記錄到振動(dòng)事件時(shí)，同時(shí)獲取時(shí)間發(fā)生的時(shí)刻。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

由于需要監(jiān)測(cè)的振動(dòng)頻率較低，有效信號(hào)的頻率在30 Hz以下，根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率在60 Hz以上即可滿足要求，本系統(tǒng)采樣頻率取150 Hz以上，可完整的采樣有效信號(hào)。由C8051F015控制芯片內(nèi)部定時(shí)器TIME3，精確定時(shí)啟動(dòng)內(nèi)置A/D模塊以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)加速度傳感器3個(gè)通道進(jìn)行輪換采樣，再使用中值濾波法進(jìn)行一次中值濾波，得出最終的有效數(shù)據(jù)。因此，最終采樣率可按照以式(1)進(jìn)行計(jì)算：其中N為中值濾波數(shù)，fs為A/D模塊采樣頻率，Δt為程序運(yùn)算時(shí)間誤差，由于數(shù)據(jù)處理單元運(yùn)算很快，可以忽略該時(shí)間誤差。

通過定時(shí)器設(shè)定A/D以38.4k的采樣率進(jìn)行采樣，每64個(gè)點(diǎn)進(jìn)行一次中值濾波［7］，代入式(1)可計(jì)算出采樣頻率為200 Hz。

采樣完成后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，并實(shí)時(shí)與振動(dòng)事件觸發(fā)閾值進(jìn)行比較，若大于觸發(fā)閾值，將觸發(fā)一次振動(dòng)記錄事件。由于數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)時(shí)間間隔較短(5 ms)，如果同步讀取時(shí)鐘芯片獲取每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間，將會(huì)出現(xiàn)較大的時(shí)間誤差，因此，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)不可能一一讀取，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)采樣頻率，振動(dòng)事件的任一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記可按照式(2)進(jìn)行計(jì)算：

其中，h0、m0與s0為觸發(fā)振動(dòng)事件時(shí)從日歷芯片中讀取的真實(shí)時(shí)間。

當(dāng)采樣數(shù)據(jù)回落到閾值以下，則判斷振動(dòng)事件結(jié)束。為了完整記錄一次振動(dòng)事件，在單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域建立一個(gè)FIFO隊(duì)列存儲(chǔ)區(qū)域，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到DTU模塊傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了振動(dòng)模擬測(cè)試。通過單軸激振器產(chǎn)生0.2 g、5 Hz的振動(dòng)信號(hào)施加到本設(shè)備上，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸后，在計(jì)算機(jī)終端收到了連續(xù)的數(shù)據(jù)，圖3為數(shù)據(jù)波形，從圖3中可以看出，數(shù)據(jù)采集很完整，且較好地響應(yīng)了輸入震動(dòng)信號(hào)。

圖3 測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 Test result

5 結(jié)語

以MEMS加速度計(jì)為基礎(chǔ)、SCO型單片機(jī)為核心、GPIO UTD模塊為數(shù)據(jù)傳送方式的強(qiáng)振記錄終端簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)強(qiáng)振監(jiān)測(cè)的安裝與布網(wǎng)方式。該裝置大型基礎(chǔ)設(shè)施、橋梁監(jiān)視、工程測(cè)振、地質(zhì)勘探等的振動(dòng)測(cè)試與分析等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

1 吳曉波.振動(dòng)與沖擊對(duì)建筑物影響的鑒定方法及工程應(yīng)用［J］.福建建設(shè)科技，2010，1：38-40.

2 陳志高.核島變形觀測(cè)技術(shù)研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2007，(專)：101-103.

3 陳鳳美.基于GPRS短信模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)［J］.數(shù)字通訊世界，2010，7：64-66.

4 馮牧.列車引發(fā)建筑物振動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值隔振研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，5：80-84.

5 張海濤，閻貴平.MEMS加速度傳感器的原理及分析［J］.電子工藝技術(shù)，2003，24(6)：260-263.

6 劉鳳麗.一種電容式微加速度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與溫度影響分析［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(3)：79-82.

7 高克芳，郭建鋼.一種基于噪聲點(diǎn)檢測(cè)的自適應(yīng)中值濾波方法［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，38 (3)：333-336.

DESIGN OF VIOLENT VIBRATION RECORD TERMINAL BASED ON DTU

Wu Linbin，Chen Zhigao，Guan Weizhi，Lü Han，Li Jiaming and Wu Xiongwei
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

The design of violent vibration record terminal is proposed.The acceleration is detected by MEMS accelerometer and transformed into digital signal by A/D module.The data are transmitted to remote data center by GPRS in DTU module.This design has the characteristics of small size，easy to install and free of maintenance.

DTU(Data Transfer unit);GPRS(General Packet Radio Service);violent vibration;date connection;filtering

1671-5942(2011)Supp.-0155-03

2010-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(40774025);中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(6042)

吳林斌，男，1983年生，碩士，工程師，從事地震儀器儀表的研究.E-mail：excellent_168@163.com

TH762.2

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