摘 要： 基于ARM" title="ARM">ARM CPU LPC2132的光電液位撓度傳感器的硬件構成、原理及性能分析。以山西高速公路小溝特大橋的安全監測" title="監測">監測系統為實例，具體介紹本傳感器的使用情況。
關鍵詞： ARM, 橋梁監測, 撓度,傳感器
1 光電撓度監測系統簡介
橋梁是投資巨大、使用期漫長的大型民用基礎設施，因此其使用的安全性非常重要。在其服役過程中，由于荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素對設施的長期影響，橋梁結構將不可避免地產生自然老化、損傷積累,甚至導致突發事故。近年來，不斷發生的橋梁倒塌等事故對人們的生命財產安全造成了嚴重的損害。因此，對橋梁等大型民用基礎設施的運行狀況進行安全監測非常必要。由于橋梁尺寸大、約束點較多、結構變形復雜，因此，要對橋梁的健康狀況進行全面評估，需要從不同的側面（例如：振動、撓度、應變等方面）了解橋梁的狀態。在表征橋梁健康狀況的諸多參數中，撓度（載重時橋梁在垂直方向產生的位移）是一個必不可少的指標。目前，盡管已有用來測量橋梁撓度" title="橋梁撓度">橋梁撓度的系統，但能完全實現遠程、實時、自動在線監測的此類設備還不多見。本文介紹的光電液位撓度監測系統，具有成本低、自動性能好、精度高、非接觸、能連續在線監測等優點，且已成功地在山西小溝高速公路特大橋上得到成功應用。
光電液位撓度監測系統示意圖如圖1 所示，液體箱位于橋墩處，每一個液體箱通過若干液體管道可連接若干個撓度傳感器。傳感器的分布位置根據需要測量的部位而定。多個傳感器通過RS-485總線串聯起來連接到高速數據采集設備（以下簡稱高速數采）。一個高速數采可以連接多個這樣的485總線網絡[1]，當然也可擁有多個高速數采（如果需測的點數多）。多個高速數采可連接到一個以太網設備上，由以太網設備通過光纖等外部線路將數據傳送到監控中心進行顯示和分析。
撓度傳感器是本監測系統的核心部分，其主要任務是對上位機發來的命令進行解釋和執行，根據不同的命令執行不同的操作。傳感器是由液體位移傳導部分、光學液面位移識別部分、數據處理部分三部分構成。根據連通管的原理，即連通器里如果只裝有一種液體，在液體不流動時，各容器中的液面總保持相平。將液體箱置于橋墩處，當橋梁有撓度變化時橋墩處保持靜態不動，而此時傳感器內部的液體位移傳導部分就會產生位移變化即撓度變形值，光學液面識別部分將測得的位移變化信號量傳給數據處理部分，由數據處理部分對接收到的信號進行濾波、A/D轉換等一系列操作，將最終得到的數字信號量通過RS-485總線送到以太網設備，然后由以太網設備將收到的數據幀轉化為TCP/IP數據報，通過光纖等外部網絡傳送給監控中心。
2 LPC2132在本系統中的應用
LPC2132 CPU是Philips公司推出的基于ARM7TDMI-S核的精簡指令系統的32位高速處理器。它的工作電壓為3.3V，內核ARM7TDMI-S的工作電壓僅為2.5V，大大降低了芯片的功耗。LPC2132具有如下特點：
(1)16K片內靜態RAM和64KB片內Flash程序存儲器提供了本系統中程序所需要的空間，128位寬度接口/加速器實現高達60MHz的操作頻率。
(2)片內Boot裝載程序實現在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP）。Flash編程時間：1ms可編程256字節，扇區擦除或正片擦除只需400ms。
(3)EmbeddedICE-RT和嵌入式跟蹤接口可實時調試（利用片內RealMonitor軟件）和高速跟蹤執行代碼。方便程序的調試。
(4)1個8路10位A/D轉換器包含16個模擬輸入，每個通道的轉換時間低于2.44μs。這樣就可以將CCD（一種光電元件）產生的模擬信號直接送入CPU中，而不需要額外的模數轉換電路并簡化了軟件編程。
(5)2個32位定時器/計數器(帶4路捕獲和4路比較通道)滿足了系統對CCD控制信號輸入的需求，PWM單元（6路輸出）可以直接產生CCD所需的脈沖信號。
(6)多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、2個高速I2C接口（400kbps）及SPI和SSP串行接口，滿足了與外界實時通訊的需求。
(7)多達47個(可承受5V電壓)的通用I/O口和9個邊沿或電平觸發的外部中斷引腳，可用于RS-485命令接收報告、CCD狀態、指示燈控制等。
(8)通過片內PLL可實現最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL穩定時間為100μs。
(9)單電源供電，含上電復位(POR)和掉電檢測(POR)電路，支持空閑和掉電2個低功耗模式，通過外部中斷可將處理器從掉電模式中喚醒，根據需要設置不同的工作方式可降低系統功耗[2]。
用LPC2132實現撓度傳感器功能的硬件連接如圖2所示。
2.1 LPC2132與CCD的連接
CCD(Charge Couple Device)由一系列相鄰的MOS(金屬氧化物半導體)存儲單元構成。其工作原理是：光敏元在受到外界光照射時可以產生電荷，此電荷被存儲在MOS存儲單元中，而產生電荷的多少與光的強度和照射時間成正比。在一定時序的外加電壓驅動下，CCD中存儲的電荷可以一個接一個地順序移出，這樣，CCD的輸出端就產生了與存儲電荷成正比的輸出電壓。CCD主要用于圖像的記錄、存儲等方面。
本系統中CCD屬于光學液面位移識別部分，其主要作用是識別液體位移傳導部分中的液體位移的變化量。因此在介紹LPC2132與CCD的連接之前，先介紹一下光學液面位移識別部分的工作原理和構成，如圖3。
圖3所示的透明管通過液體管道與橋墩處的液體箱連接，它們共同構成液體位移傳導部分。在實際應用中透明管總是與水平面保持垂直。當發生撓度變化時橋梁帶動傳感器一起做豎向位移運動，這樣位于傳感器內部的透明管就與其中的液體產生了相對運動，感覺上就好象是液體在透明管中上下運動。
光學液面位移識別部分主要由透明管、光源、透鏡及CCD組成。透明管中的液體為不透明狀，由若干個LED組成的線光源發出的均勻光將透明管的背景照亮。由于光在不同介質中的折射率不同，使得通過透鏡后玻璃管的成像在CCD的中間部分形成一條暗帶，上下邊緣部分的透射光相對較強，形成亮帶，中間暗帶的寬度為玻璃管內液柱在CCD上的成像，通過像的大小來獲取液面的高低，從而達到識別液位的目的。
本系統中CCD采用的是日本TOSHIBA公司生產的線陣CCD產品TCD1208AP。它具有2160個像元，像元尺寸及間距為14μm×14μm，靈敏度高，暗電流低，工作電壓為單一的5V，為二相輸出的線陣CCD器件，是早期TCD142D的改進型，價格低廉，靈敏度高，應用廣泛。采用ARM系列微處理機可極大地簡化其驅動電路，增強其工作穩定性。
TCD1208AP采用二相驅動脈沖工作，時序脈沖驅動電路提供四路工作脈沖：光積分脈沖SH，電荷轉移脈沖F11、F12，輸出復位脈沖RS 。具體實現時，用一路PWM做RS，對RS處理后通過74HC74進行兩分頻，產生F11、F12。通過定時器控制通用I/O口產生SH信號。驅動脈沖的電平采用74HC04加上拉電阻控制。由于線陣CCD的典型復位脈沖是1 MHz，對單片機的速度有一個最低要求，所以要實現這種驅動方法必須使用指令周期小于1μs的單片機。ARM單片機的時鐘高達60MHz，完全能滿足要求。
從CCD得到的模擬信號可直接送入LPC2132內部的A/D轉換器進行處理。
2.2 LPC2132與SN65HVD3082的連接
因為在系統中需要對幾十個點進行撓度檢測，且每套撓度傳感器只是整個系統的一個基本單元。它既需要外部輸入一些必要的信息，同時，也需要向外部輸出自身的運行參數和狀態。為了滿足設備控制的要求，采用了網絡控制技術，即將眾多設備有機地連成一體，以保證整個系統安全可靠地運行。系統采用RS-485總線方式組成整個傳感器網絡，可以實現系統的多機通訊。由于485總線是異步半雙工的通信總線，即在某一個時刻，總線只可能呈現一種狀態，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢通信。總線上必然有一臺始終處于主機地位的設備在巡檢其他的分機，本系統中的高速數據采集設備充當了主機的角色。
系統中的RS-485驅動器采用TI公司的485驅動芯片SN65HVD3082。該芯片體積小，功耗極低，在1/8負載下可以同時驅動多達256個相同接口的設備，驅動速率可以達到200kbps。在應用工程系統的現場施工中，由于通信載體一般是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以在線路設計時，RS-485網絡傳輸線的始端和末端應各接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射[3]。原因是導線和地之間也存在分布電容，雖然很小，但在分析時也不能忽視。
2.3 LPC2132與其他部分的連接
與LPC2132連接的其他部分還有系統時鐘電路、復位電路和JTAG接口電路等。這幾部分比較簡單。 LPC2100系列ARM7微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，內部PLL電路可調整系統時鐘，使系統運行速度更快（CPU最大操作時鐘為60MHz）。倘若不使用片內PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍為1MHz～30MHz，外部時鐘頻率范圍為1MHz～50MHz；若使用了片內PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍為10MHz～25MHz，外部時鐘頻率范圍為10MHz～25MHz。這套系統使用了外部11.0592MHz晶振，這樣可以使串口的波特率更精確，同時也能夠支持LPC2132微控制器芯片內部PLL功能及ISP功能。由于ARM芯片具有高速、低功耗、低工作電壓等特點，致使其噪聲容限低，因此對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性、電源監控可靠性等諸多方面提出了更高的要求。本系統的復位電路使用了CAT809T電源監控芯片，復位延時可達250ms，RESET產生的復位脈沖完全滿足時序的需要。另外系統還預留了JTAG接口電路，以方便調試和下載程序。
3 傳感器軟件部分設計
系統軟件開發工具采用ADS集成開發環境。此開發工具是ARM公司推出的ARM核處理器集成開發工具，英文全稱為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS1.2。ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列處理器，支持軟件調試及JTAG硬件仿真調試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點。程序流程如圖4所示。
4 系統性能分析及試驗數據
4.1 系統測撓精度
傳感系統的電路均為數字電路，所傳遞的均是數值，CCD傳感器在空間上是數字化的，所以系統的精度由光學成像部分決定。目前系統的光學分辨率為0.098mm，優于0.1mm，足夠測試橋梁撓度變形。
4.2 傳感系統頻響特性
靜態響應特性。當液體管中的液面靜止時，靜止的液面會使傳感器輸出固定值，即傳感器具有零頻響應的特性。大量的實驗和現場測試都證明了傳感器確實具有零頻直流響應，因此，利用傳感器的這個特性可以監測橋梁的靜態變形。
動態響應特性。傳感器動態特性試驗方法為用振動臺帶動液體箱做垂直周期振動，水箱的位移通過50m管道傳遞給位置固定的液位傳感器，在上位機的軟件中讀取傳感器的輸出數據，在不同頻率下得到的數據如表1所示。
由表1可以求得系統的精度在9.5/101～9.5/110之間，分辨率在0.1mm以內，達到了橋梁撓度值的監測標準。
5 應用實例
光電式液位撓度傳感器在山西新原高速小溝特大橋上已經成功地連續運行了將近一年，證明系統具有相當的穩定性、可靠性。
圖5為從監控中心中的上位機軟件LabView[4]中截取的橋上過車時的橋梁撓度波形圖。圖中曲線彎曲度代表了車輛通過時橋梁的撓度，將這些數據實時保存下來就可以得到橋梁長期的撓度變化情況。對這些數據進行定期分析就可了解現階段橋梁的健康狀況。
本文的特點是：將連通管的原理應用在撓度傳感器中，并利用了ARM CPU的高性能特點，使系統具有自動性能好、精度高、非接觸、能連續在線監測等優點。
橋梁的光電液位撓度監測系統是比較大的系統。本文只涉及其核心部分(而且是硬件部分，軟件部分的工作量也比較大)。以ARM7TDMI-S為內核的LPC2132能夠在ADS1.2的調試平臺上用標準C語言或C++語言進行編程調試、軟件仿真，大大縮短了軟件的開發周期。
參考文獻
[1] 燕延，陳保平，馬增強，等.網絡化遠程橋梁健康狀態檢測系統的設計[J].微計算機信息，2005，(8)
[2] 周立功，張華.深入淺出ARM7-LPC2132.北京：北京航空航天大學出版社，2005.
[3] 張建新，李學敏.電子電路百科全書.北京：科學出版社，1989.
[4] 汪敏生.Lab VIEW基礎教程[M].北京：電子工業出版社，2002.