振動環(huán)境下建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張敏　李峰

摘 要： 針對建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)輸出誤差較大，功耗高的問題，設(shè)計了一種振動環(huán)境下的建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)包括振動信號傳感器模塊、基線恢復(fù)模塊、振動數(shù)據(jù)的時鐘采樣模塊、A/D模塊和程序加載模塊，對各功能模塊進行電路設(shè)計，實現(xiàn)振動檢測系統(tǒng)的集成設(shè)計和軟件開發(fā)，并應(yīng)用到工程實踐中。分析結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)對建筑工程的振動數(shù)據(jù)采樣與檢測的實時性較好，具有較高的精度，有效指導(dǎo)了建筑工程的抗震設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 振動環(huán)境； 建筑工程； 抗震設(shè)計； 檢測系統(tǒng)； DSP

中圖分類號： TN710?34； TP181 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0106?04

Design and implementation of building engineering anti?seismic detection

system under vibration environment

ZHANG Min1， 2， LI Feng2

（1. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；

2. Department of Architecture and Civil Engineering， Yibin Vocational and Technical College， Yibin 644000， China）

Abstract： Since the building engineering anti?seismic detection system has big output error and high power consumption， a building engineering anti?seismic detection system under vibration environment was designed. The detection system includes the vibration signal sensor module， baseline recovery module， clock sampling module of the vibration data， A/D module and program load module. The circuit of each function module was designed. The integrated design and software development of the detection system were realized， and applied to the engineering practice. The analysis results show that the detection system has good real?time performance for the vibration data sampling and detection of the building engineering， and high accuracy， which can guide the anti?seismic design of the building engineering effectively.

Keywords： vibration environment； building engineering； anti?seismic design； detection system； DSP

0 引 言

建筑工程的抗震性檢測是保障建筑設(shè)計和建筑施工有效開展的基礎(chǔ)性工作，在振動環(huán)境下構(gòu)建建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)，采用振動傳感器進行振動信號采集，指導(dǎo)建筑工程的抗震性設(shè)計和檢驗[1]。

建筑工程的抗震性檢測采用振動傳感器結(jié)合數(shù)字信號處理芯片進行振動信號分析[2]，傳統(tǒng)的建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)采用的是可編程邏輯PLC設(shè)計方法，采用RFID射頻讀寫進行振動監(jiān)測，實現(xiàn)在振動環(huán)境下的建筑工程抗震性檢測和數(shù)據(jù)信息分析[3]，但是傳統(tǒng)的抗震性檢測系統(tǒng)不能實現(xiàn)多道抗震防線振動性檢測，輸出誤差較大，抗振動調(diào)諧性能不好，受到的振動干擾較大使檢測準(zhǔn)確性降低[4]。

針對當(dāng)前建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)存在的弊端，構(gòu)建了一種新型建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)，并在Visual DSP++ 4.5環(huán)境下進行抗震性檢測系統(tǒng)的性能測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

在建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗主要來自靜態(tài)功耗[Pspc]和動態(tài)功耗[Pdpc，]即：

[Pspc=VddIdd] （1）

[Pdpc=VddITC+αCTfpV2dd] （2）

式中：[Vdd]表示不同加載機制下系統(tǒng)的額定電壓值；[Idd]表示異步串行電流值；[ITC]表示全雙工同步串行脈沖電流的均值；[CT]表示建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的負(fù)載電容；[fp]表示系統(tǒng)的外部DMA頻率；[α]表示D/A轉(zhuǎn)換器AD554的功率損耗。

建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的靜態(tài)功耗[Pspc]由[Vdd]和[Idd]決定，選擇空閑功耗較低的處理器和芯片，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的低電壓啟動[5]。根據(jù)式（2）得知，系統(tǒng)的動態(tài)功耗與[ITC，CT]和[fp]相關(guān)，由于[Pspc]僅占總功耗的1%左右，因此，系統(tǒng)的主要功耗為[Pdpc。]

1.2 外圍器件選擇及技術(shù)指標(biāo)分析

建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：

（1） 輸出振動信號幅度<2 dB，I/O設(shè)備進行振動傳感信息數(shù)據(jù)采集的信噪比為12 dB。

（2） 選用具有雙16位MAC進行同步雙工振動信號通信；檢測系統(tǒng)具有低功耗特點，整體功耗<20 W。

（3） 抗震性檢測系統(tǒng)的串行D/A轉(zhuǎn)換分辨率不低于8位，建筑工程抗震性檢測精度不低于98%。

（4） 檢測系統(tǒng)抗干擾強度>10 dB，內(nèi)部時鐘振蕩不低于8位；

（5） 采用8個32位定時器/計數(shù)器進行振動頻率測試技術(shù)；

（6） A/D芯片的采樣時鐘具有基線恢復(fù)和漂移抑制功能。

根據(jù)上述設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)，振動環(huán)境下建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的外圍器件選用ADI公司的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，A/D選擇ADI公司的高速A/D芯片AD9225，D/A芯片選用ADI的串行D/A轉(zhuǎn)換器AD5545，采樣頻率為13 MHz，建立時間為2 μs，采用有源晶振電路作為時鐘電路，如圖2所示。

振動傳感器接收的信號通過模擬信號預(yù)處理放大、濾波后，作為DSP輸入數(shù)據(jù)進行振動幅值檢測，對振動信號的有效性檢測、頻譜分析[6]在D/A轉(zhuǎn)換器進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，在晶振每一個電源引腳處放一個10～100 μF的鉭電容，在靠近時鐘輸出引腳的地方串接10～50 Ω電阻，提高建筑工程抗震性檢測時鐘的波形質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的負(fù)載功率分析及硬件布局

在建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的傳感器模塊中，振動傳感器的電導(dǎo)[G=1RL，]振動傳感器基陣通過動態(tài)增益控制碼轉(zhuǎn)化為電信號，產(chǎn)生的導(dǎo)納為[B=jωC，]繼電器的開關(guān)控制狀態(tài)系數(shù)[BL=-j1ωL，]傳感基陣阻抗匹配濾波的激勵電壓的有效相角描述為[7]：

[φ0=tan-1BG] （3）

[φX=tan-1ZXR′L=tan-1[ZL?G?（1+tan2φ0）-tanφ0]] （4）

通過功率放大器調(diào)制輸出的振動信號，選用不同的穩(wěn)壓塊進行基線恢復(fù)[8]，得到檢測系統(tǒng)的負(fù)載功率為：

[PL=V20?GX=V20?G×1+tan2φ01+tan2φX] （5）

設(shè)計LC濾波電路來逐級濾波[9]，振動傳感器的負(fù)載僅為[G，]有：

[PL=V20?G] （6）

建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的輸出功率為：

[PLmax=V2L?GXmax] （7）

通過上述設(shè)計，建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)輸出振動能量譜密度信號放大后的指向性增益匹配函數(shù)為：

[η=10PL-WL-DI-170.710] （8）

在建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)工作中心頻率[f0]處，使輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配[10]，根據(jù)上述設(shè)計原理，得到振動環(huán)境下的建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)布局框圖如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的模塊化電路設(shè)計

（1） 傳感器模塊。采用振動傳感器進行數(shù)據(jù)采集與信息處理，數(shù)據(jù)采集與處理是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，考慮到系統(tǒng)自激和噪聲干擾問題，傳感器模塊采用三級放大器進行逐級放大，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行A/D采樣，由DSP控制SEL1電平，振動傳感器的放大分貝數(shù)由它的控制電壓決定，傳感器模塊的電路設(shè)計如圖4所示。

（2） 基線恢復(fù)模塊。通過對基線恢復(fù)模塊的設(shè)計，有效濾除了建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)接收信號中的雜波干擾，采用電容進行交流耦合，采用自緩沖基線恢復(fù)器提高系統(tǒng)的實際分辨率。設(shè)計時考慮到輸入的建筑工程檢測振動信號幅值較低，處于低頻情況時，將D0～D12與DSP的PPI接口相連，設(shè)置PPI的操作模式，實現(xiàn)建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)輸出1.15～5.5 V電平的自由轉(zhuǎn)換，基線恢復(fù)模塊設(shè)計電路如圖5所示。

（3） A/D模塊。采用DSP信號采集振動性原始信號，通過A/D模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，檢測系統(tǒng)的外部I/O設(shè)備包括A/D轉(zhuǎn)換器AD7864，硬件設(shè)計時AD7864的輸出通道數(shù)設(shè)置為VIN1A～VIN4A接信號輸入，VIN1B～ VIN4B接地。[H/S]接高電平，采用±10 V的雙極性輸入，觸發(fā)DSP中斷引腳[INT0，]在A/D中斷設(shè)計中，由軟件控制采樣通道，系統(tǒng)的A/D接口設(shè)計如圖6所示。

（4） 程序加載模塊。先對SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口發(fā)送控制寄存器）寫0H選擇非SPI時鐘停止模式。在程序加載模塊中，模擬電源和模擬地間添加10 μF和0.1 μF的去耦電容以去除高頻噪聲。經(jīng)過一級反向的2倍放大，采用ADSP?BF537程序加載電路，使得振動檢測的輸出互為備份，外部接口片選信號和控制信號在CPLD上利用匯編指令PORTW，PORTR產(chǎn)生對外部I/O的控制指令，設(shè)計RS觸發(fā)器選擇信號電平，由此提高檢測精度，得到系統(tǒng)的程序加載模塊電路設(shè)計如圖7所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實驗分析

振動環(huán)境下建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)的調(diào)試建立在Visual DSP++ 4.5開發(fā)平臺上，調(diào)試平臺分為集成的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試器兩大部分，配置PCR（串口控制引腳寄存器）的FSXM=1進行檢測程序的寫入，對振動傳感器采集的振動信號進行離散采樣，設(shè)置發(fā)送和接收控制寄存器（RCR[1，2]和XCR[1，2]），波特率和同步信號設(shè)定為[XRST，][RRST，][FRST]=1，選用32位標(biāo)準(zhǔn)C編譯和ANSIC碼庫集成在一個交互式開發(fā)平臺中，進行建筑工程抗震性測試和振動信號檢測。實驗過程中，首先運用WIN32 API函數(shù)CreateFile（）打開PCI設(shè)備，DSP從右端口相應(yīng)地址讀取數(shù)據(jù)，啟動DMA傳輸振動數(shù)據(jù)，然后進行系統(tǒng)的初始化，包括DMA模式寄存器、源地址寄存器、目標(biāo)地址寄存器的初始化，數(shù)字信號處理芯片DSP在軟件上對振動信號進行帶通補償，由此進行振動信號采集和抗震性檢測，得到振動信號的輸入信號波形和頻譜如圖8所示。

對信號作FFT，采用本文設(shè)計的抗震性檢測系統(tǒng)進行振動數(shù)據(jù)分析和特征采樣，檢測到的振動信號波形和輸出頻譜如圖9所示。

比較圖8和圖9這兩幅圖對應(yīng)的幅頻值可知，本文設(shè)計的系統(tǒng)具有較好的頻譜響應(yīng)，寬帶信號輸出幅度一致，說明能準(zhǔn)確、實時地檢測到振動信號，在建筑工程抗震性檢測中具有預(yù)測預(yù)報作用。

4 結(jié) 語

為了提高建筑的抗震強度，需要在建筑設(shè)計和施工中進行抗震性檢測，建筑工程的抗震性檢測是保障建筑施工有效展開的基礎(chǔ)性工作，采用振動傳感器進行振動信號采集，指導(dǎo)建筑工程的抗震性設(shè)計和檢驗，本文設(shè)計了一種振動環(huán)境下的建筑工程抗震性檢測系統(tǒng)，調(diào)試實驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)對建筑工程的振動數(shù)據(jù)采樣和檢測的實時性較高，精度較傳統(tǒng)方法明顯提高，具有較好的工程應(yīng)用價值。

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