單片機(jī)在鐵路橋梁撓度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

華 勇，盧 海，張 濤

（成都鐵路局貴陽(yáng)電務(wù)段，貴陽(yáng)550005）

橋梁的撓度與橋梁的承載能力及抵御地震等動(dòng)荷載的能力有密切的關(guān)系，因此橋梁動(dòng)靜撓度測(cè)量方法的研究和儀器設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制，對(duì)于橋梁承載能力的檢測(cè)和橋梁的防震減災(zāi)有著重要的意義 。

1 目的及創(chuàng)新

成都鐵路局管內(nèi)多為山區(qū)鐵路，橋梁眾多，準(zhǔn)確掌握承重桁架的變形情況，對(duì)橋梁的運(yùn)行狀況進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，不但可以有效預(yù)防突發(fā)性災(zāi)難，減少損失確保基礎(chǔ)設(shè)施與使用者的安全，還可為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù),更可能據(jù)此制訂維修計(jì)劃。開(kāi)發(fā)使用ARM處理器和線陣CCD很好地解決了這一問(wèn)題。

線陣CCD是一種光電耦合元件，它在3 cm左右的長(zhǎng)度上集成數(shù)千個(gè)光敏單元。根據(jù)其精密特性，設(shè)計(jì)一套光電液壓裝置，可實(shí)現(xiàn)桁架梁的遠(yuǎn)程位移檢測(cè)。高精度的光電裝置選擇LPC2200作為核心單片機(jī)與之配套，用以完成整個(gè)系統(tǒng)的控制工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)整體為3層結(jié)構(gòu)，如圖1。

監(jiān)控中心使用LABVIEW開(kāi)發(fā)出可視化平臺(tái)，完成人機(jī)交互。工控機(jī)和R3000系統(tǒng)之間通過(guò)公用以太網(wǎng)連接，而R3000系統(tǒng)和下位機(jī)則通過(guò)RS-485總線連接，形成分布較廣的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，有利于同時(shí)對(duì)大橋的多個(gè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)向R3000發(fā)送控制命令并接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)，R3000收到監(jiān)控中心的命令后，對(duì)下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的操作指令，從而控制多個(gè)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

每個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)都有一個(gè)獨(dú)立的地址（相對(duì)于同一條RS-485總線而言），R3000對(duì)下位機(jī)發(fā)送指令時(shí)，總線上的每一個(gè)下位機(jī)都可以收到。下位機(jī)通過(guò)識(shí)別指令中的地址信息來(lái)確認(rèn)指令是否有效，從而做相應(yīng)的工作，并返回工作結(jié)果。系統(tǒng)的總線控制權(quán)完全由上位機(jī)掌握，實(shí)現(xiàn)了一主多從的通信方式，免去了總線仲裁、沖突檢測(cè)等繁瑣過(guò)程，提高了總線的利用率。

2.2 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)下位機(jī)包括CCD光學(xué)設(shè)備、機(jī)械傳動(dòng)裝置、電子設(shè)備。若干個(gè)下位機(jī)通過(guò)485總線串接在一起組成一組，通過(guò)中間上位機(jī)的控制，完成一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的撓度監(jiān)測(cè)工作。

由下位機(jī)電子設(shè)備產(chǎn)生CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖，根據(jù)液面的變化，CCD輸出相應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)發(fā)給中間上位機(jī)。上位機(jī)使用R3000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

下位機(jī)采用停等協(xié)議實(shí)現(xiàn)總線仲裁。整個(gè)系統(tǒng)一經(jīng)上電，各個(gè)下位機(jī)開(kāi)始CCD數(shù)據(jù)采集，并一直處于總線偵聽(tīng)狀態(tài)，根據(jù)總線上命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3 系統(tǒng)功能綜述

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在CCD驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，使用了單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法。因CCD高精度感光元件，具有高靈敏性，所以驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮許多方面。包括四路驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生、整形、調(diào)理以及門(mén)電路的延遲等因素。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用了CCD、鏡頭、光源3部分中心線定位法。為了使系統(tǒng)的精度達(dá)到最優(yōu)，使用了物距象距移動(dòng)法最終確定光學(xué)系統(tǒng)的定位。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，下位機(jī)系統(tǒng)選擇LPC2200芯片，免去了微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器之間的接口電路和時(shí)序控制電路，硬件電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，芯片的外圍元件非常少，硬件的可靠性得到了提高。外圍電路只需一套單片機(jī)最小子系統(tǒng)即可。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用橋梁帶動(dòng)水箱，水箱帶動(dòng)液面移動(dòng)的方法反映撓度變化。由于系統(tǒng)靈敏度高，需要考慮很多因素，例如周圍環(huán)境溫度的變化、傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)靈敏度、不同的行車周期，以及橋梁的共振等。通過(guò)對(duì)數(shù)種不同的材料進(jìn)行上百次的測(cè)試，分析大量的數(shù)據(jù)，最終確定了一種最合理的方法。

使用單片機(jī)開(kāi)發(fā)CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法靈活，設(shè)計(jì)思想、時(shí)序清晰，保證了其正確性。另外，使用這種方法還減小了電路板的面積，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適用于微型化儀器中。

3.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用連通器兩邊液面等高的原理，通過(guò)液面的變化來(lái)反映橋梁的形變是一種可靠的方法。由于液體在管子里以波的速度傳導(dǎo)，所以可以實(shí)時(shí)顯示橋梁的振動(dòng)情況。

在橋梁的頂端放置一水箱，在100 m遠(yuǎn)處放置一套CCD光學(xué)系統(tǒng)。在光學(xué)系統(tǒng)箱內(nèi)部設(shè)計(jì)一段細(xì)玻璃管，通過(guò)100 m長(zhǎng)的粗管與水箱相連。如果橋梁發(fā)生形變產(chǎn)生位移，則細(xì)玻璃管內(nèi)對(duì)應(yīng)的液面也因此上下移動(dòng)。通過(guò)液面的移動(dòng)來(lái)反映橋梁的撓度。

系統(tǒng)所有管子里都是非透明的液體。在玻璃管背后用一段發(fā)光二極管照亮整段玻璃管。有液體的部分不透光，而沒(méi)有液體的部分則透光。這些光透過(guò)光學(xué)鏡頭打在CCD靶面上，從而使CCD輸出相應(yīng)的電荷信號(hào)。

由于不同的傳導(dǎo)管的構(gòu)造及內(nèi)壁的阻力不同，以及液體在共振情況下發(fā)生抖動(dòng)，還另需考慮各種環(huán)境條件對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響。

3.3 光學(xué)裝置設(shè)計(jì)

基于遠(yuǎn)程位移的特點(diǎn)，在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮整個(gè)光路系統(tǒng)和CCD器件的共軸（即準(zhǔn)直）問(wèn)題。精確地測(cè)量CCD、鏡頭及光源軸向確定光學(xué)系統(tǒng)尺寸，使光學(xué)系統(tǒng)軸向一致,并垂直于CCD光敏面,使待測(cè)目標(biāo)的位移方向與線陣CCD光敏元的排列方向均一致,從而組成一個(gè)共軸系統(tǒng)，也解決了檢測(cè)系統(tǒng)的光路準(zhǔn)直問(wèn)題。

CCD有效象元長(zhǎng)度為30.2 mm，對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)為156 mm，放大倍率約為1∶5。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高低的確定上，光學(xué)系統(tǒng)放大倍率與線陣CCD光敏單元尺寸共同決定了測(cè)量精度的高低。為了提高精度，可提高光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率β。在物距一定時(shí),可以通過(guò)提高物鏡的焦距來(lái)提高測(cè)量精度，可以在電路處理部分使用更高頻率的時(shí)鐘脈沖采樣,可以將CCD測(cè)量的精度值提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，基于CCD的遠(yuǎn)程位移自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)有只在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，還在硬件上采用具有流水線結(jié)構(gòu)的高速LPC2200芯片，增加了數(shù)據(jù)采集的速度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高頻率數(shù)據(jù)采集。

3.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這套系統(tǒng)需要對(duì)多達(dá)22個(gè)點(diǎn)進(jìn)行撓度檢測(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可將眾多設(shè)備有機(jī)地連成一體，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。用RS-485總線方式組成整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多機(jī)通訊。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)串行通訊，系統(tǒng)采用了一套完整的通信協(xié)議。

開(kāi)始每個(gè)下位機(jī)處于總線偵聽(tīng)狀態(tài)。當(dāng)串口收到指令時(shí)，將接收緩沖區(qū)有效標(biāo)志置位，主循環(huán)得知緩沖區(qū)內(nèi)有指令到來(lái)，便對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，由于CRC校驗(yàn)的檢錯(cuò)率近乎100%，所以只要CRC校驗(yàn)通過(guò)，便認(rèn)為收到的數(shù)據(jù)是正確的。RS-485總線的結(jié)構(gòu)特殊，對(duì)于一條指令，總線上所有的下位機(jī)都能夠收到，即使這條指令不是傳達(dá)給該下位機(jī)的，這就需要每個(gè)下位機(jī)都有一個(gè)唯一地址，在收到正確數(shù)據(jù)后還要對(duì)其中地址部分進(jìn)行核對(duì)，如果地址正確，則取出指令部分，進(jìn)行分析和執(zhí)行，否則丟棄該數(shù)據(jù)。最后，指令執(zhí)行完畢后，下位機(jī)將指令執(zhí)行的結(jié)果返回給上位機(jī)。

軟件總體流程如圖2。

圖2 軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

由于列車長(zhǎng)度不同，在鐵路橋梁上運(yùn)行的周期也不同，在測(cè)試平臺(tái)上模擬撓度幅值為9.1 cm，根據(jù)不同運(yùn)行周期測(cè)試統(tǒng)計(jì)，得出數(shù)據(jù)如表1。

表1 周期測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

系統(tǒng)測(cè)試的精度為幅度/脈沖數(shù)目，通過(guò)表1可以計(jì)算出測(cè)量精度在0.1 mm以內(nèi)，達(dá)到實(shí)際需求。圖3為模擬列車運(yùn)行時(shí)LABVIEW采集到的撓度變化曲線。

圖3 撓度變化曲線

由圖3可以看出，在運(yùn)行周期為10 s時(shí)，共有104個(gè)CCD象元發(fā)生變化，由此得到系統(tǒng)的精度為9.1/104mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所描述的光電液位式撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本相對(duì)較低，具有能夠?qū)蛄荷隙鄠€(gè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采樣速率快，精度高等特點(diǎn)。通過(guò)在山西新原高速小溝特大橋長(zhǎng)期測(cè)試，其性能穩(wěn)定可靠，是鐵路橋梁撓度監(jiān)測(cè)的新方法。

[1] 王慶有，孫學(xué)珠. CCD應(yīng)用技術(shù)[M] . 天津：天津大學(xué)出版社，1987.

[2] 周立功. 深入淺出ARM7-LPC213x/214x（上）[M] . 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3] Jean.Labrosse. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/0S-II[M] . 2版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 曾峰. 印刷電路板設(shè)計(jì)與制作[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5] 馮耀輝. 印刷電路板設(shè)計(jì).PowerPCB 5.0入門(mén)與提高[M] . 北京：人民郵電出版社，2003.

[6] 徐睿. 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M] . 北京：人民郵電出版社，2004.