基坑混凝土支撑轴力嵌入式监测系统设计

　　摘要：针对在地铁基坑混凝土支撑轴力监测中, 混凝土支撑轴力测量精度差以及实时性不高的问题, 设计了基于嵌入式高精度混凝土支撑轴力实时监测系统。系统实现了振弦式传感器可控激振、测频电路的设计。以基于Cortex-M4内核的STM32F407为主控芯片, 通过振弦式传感器对混凝土应力计的应力进行实时监测, 监测数据采用RS485总线的方式传输至PC上位机进行处理及显示。系统通过硬件设计及软件修正的方式提高了混凝土应力的测量精度, 同时提高了数据处理的实时性。

　　关键词：支撑轴力; 嵌入式; STM32; 测频电路; 振弦式传感器;

　　Abstract：Due to the measurment low accuracy and poor real-time in the monitoring of Subway Foundation Pit concrete support shaft power, a high-precision embedded real-time monitoring system was designed for concrete support shaft power.System achieved a vibrating wire sensor controlled excitation frequency measurement circuit.Based on the Cortex-M4 core STM32 F407 as the master control chip, concrete strain gauges of stress was used to real-time monitoring, data was transmitted by RS485 bus to the PC host computer to be processed and displayed.Measurement accuracy was improved by system hardware design and software correction, as well as real-time data processing.

　　Keyword：axial force of strut; embedded; STM32; frequency measurement circuit; vibrating wire sensor;

　　随着中国城市化进程的快速发展, 城市的地下工程也进入了良好的发展时期。在城市地铁建设中基坑是常见的基本单位, 基坑的开挖地点往往地处人流、车流比较集中的地方, 所以基坑的安全监测也变得越来越重要[1]。由于现有的基坑安全监测系统在测量精度、成本、功耗、系统应变、稳定性等方面存在明显不足[2], 因此需要研制高精度、高可靠性的智能型混凝土应力监测系统[3]。

　　本文针对以上问题设计了一套基于嵌入式的基坑混凝土支撑轴力监测系统, 系统设计的振弦式应力计的信号调理电路及测频电路, 提高了振弦式应力数据的精度。同时选用基于高性能低功耗的Cortex-M4内核STM32F407为采集系统主控芯片, 提升了监测系统的响应速度及数据采集的实时性, 在软件设计中采用合理方式进一步减少了混凝土支撑轴力的测量误差。

　　1、系统设计

　　1.1、系统总体设计

　　根据混凝土应力的采集规范和需求, 系统主要包含5个部分:电源管理、前端信号采集、总采集站、数据传输以及上位机数据处理。总体设计如图1所示, 系统以STM32F407为控制核心, 控制多个混凝土应力传感器对支撑轴力数据进行采集, 采集的数据通过RS485总线传输至PC上位机进行分析处理。系统加入蓄电池容量检测模块, 在采集数据的同时对电池电压进行检测, 方便实时掌握电池容量信息。

　　1.2、振弦传感器信号检测原理

　　如图2所示, 敏感的振弦通过两端的支承拉紧, 振弦起振时脉冲电流通过电磁铁时, 通过带动铁片引起振弦的振动[4]。

图1 系统总体结构

图2 振弦传感器的工作原理图

　　当振弦传感器两端所受作用力不同时, 振弦的微小长度变化将会引起谐振频率的变化[5]。通过激励振弦后振弦的固有频率, 就可计算出传感器的受力情况及工程值。

　　2、系统硬件设计

　　2.1、传感器激振电路设计

　　由图3可知, STM32的I/O口按照一定的频率 (传感器的固有频率初始值) 产生激振信号, 信号通过光耦隔离及变压放大电路后, 激振电流流过激振线圈, 激振电流产生的交变磁场激励振弦振动[6]。激振线圈通过的脉动电流频率由STM32方便地调节。这种激振方法可以根据振弦固有频率的变化改变激振信号的频率, 而改变激振频率是通过软件实现的, 这是这种激振方法的突出优点。

图3 激振电路

　　2.2、频率检测电路的设计

　　2.2.1、前置滤波电路设计

　　为了获得更加纯净的输出信号, 提高频率测量的精度。如图4所示, 设计了一个低通滤波电路和一个高通滤波电路组成的带通滤波电路。传感器输出信号先通过低通滤波电路, 其截止频率为4.5 Hz, 将无用的高频杂波滤除, 然后信号通过高通滤波电路, 其截止频率为450 Hz, 将无用的低频信号滤除。

图4 前置滤波电路

　　2.2.2、频率检测电路设计

　　如图5所示, 频率检测电路将经过前置滤波后的振荡信号进行放大、整流和整形, 得到标准的方波信号, 将该信号送至STM32的I/O口启动片内计数器计数。

图5 频率检测电路

　　计数采用多周期测量的方法, 求出平均周期, 再取倒数折算成频率, 这主要是由于振动信号在振动的开始和结束时, 其振幅较小, 测量结构容易受到干扰[7]。选择测量多个周期来测频率减小了计数误差对分辨率和测试精度的影响。

　　2.3、主控模块电路设计

　　主控模块控制核心选用基于高性能低功耗的Cortex-M4内核的STM32F407, 该芯片最高处理频率可达168 MHz, 同时具备1 MB的Falsh以及丰富的通信接口, 满足系统的设计要求。

　　设计的STM32最小系统电路如图6所示。单片机最小系统电路是单片机可以正常运行的最小单元, 需要具备时钟电路、复位电路、程序下载电路等。

图6 STM32F407RGT6最小系统电路

　　2.4、RS485电路设计

　　如图7所示, 电路采用5 V供电的RS485通信接口芯片ADM2582E, ADM2582E的逻辑电平与STM32的逻辑电平兼容。根据系统的功能分析, 当主控模块发送数据的时候, 不需要同时接收数据, 故采用数据收发切换的半双工通信模式。

图7 RS485通信电路设计

　　3、系统软件设计

　　3.1、STM32主程序设计

　　在STM32控制软件设计中, 合理的测量时机把握和数据处理是提高传感器数据准确度的有效方法。

　　图8为主程序流程图。系统程序根据需求主要划分为初始化部分、激振部分、测振部分以及通信部分。系统上电后首先运行初始化程序, 然后通过判断标志位是否处于触发状态, 如果是触发状态, 则开始运行激振程序, 当激励振弦传感器成功后, 撤去激振信号, 延时一段时间, 待传感器产生的信号稳定后运行测振程序。

图8 主程序流程图

　　3.2、测振程序设计

　　系统测振部分程序主要作用是对经处理后的外部方波信号进行采样及运算, 本系统采用多倍周期同步测频的方法。在进行周期运算的过程中主要运用STM32内部的2个计数器进行测量。

　　具体测频过程如图9所示, 测振开始后STM32中的2个计数器分别开始工作, 计数器T0在外部方波信号到来时记下上升沿的个数, 同时计数器T1记录时间。这样通过时间及方波上升沿的信息即可方便地计算出方波的频率信息。

图9 测振程序流程图

　　在进行测振时, 测振时间的选取非常重要。振弦传感器的钢弦在受到激励后, 会立刻产生激励响应信号, 激励响应信号是按指数衰减的阻尼振动信号[2]。信号持续的时间一般不超过1 s。

　　振弦传感器产生的信号波形如图10所示, 受各种因素的影响, 产生的正弦信号并不稳定, 在最初的约10 ms的时间内, 钢弦还处于受迫运动, 检测到的不是传感器产生的实际信号。所以在进入测振程序前, 系统经过了约10 ms的延时程序。

图10 钢弦激励波形图

　　与此同时, 振弦信号衰减速度非常快, 如果测量时间选取较迟, 则钢弦很快停止振动, 根据信号波形系统选用760 ms内测量为最佳的测量时间。

表1 振弦式传感器测试数据

　　3.3、上位机软件设计

　　对9个监测点数据进行实时监测显示, 系统监测软件同时具备电池电压监测功能, 在电池欠压时能及时的发出报警信号。单个传感器检测中, 以每秒的时间间隔对数据进行实时更新, 同时将数据保存至数据库中, 方便历史数据的查询。

　　4、数据分析

　　系统设计一个采集站外接9组振弦式传感器进行测试, 对每个传感器进行5次数据采集测试。结果如表1所示。

　　系统进行试验时设定为采集5次, 为了将测量精度提高, 以及减小测量偶然误差, 对5次采集数据求平均数。通过计算, 9组振弦传感器的系统测量数据均与传感器出厂时标定功率相近, 误差不超过1 Hz, 满足行业标准对混凝土支撑轴力输出信号的要求。

　　5、结束语

　　本文设计的以STM32处理器为核心的混凝土支撑轴力监测系统中, 主要研究基于振弦式传感器采集数据为基础, 设计针对振弦式应力传感器的信号调理电路, 改进数据采集方式, 同时结合RS485通信进行数据传输以增加数据传输距离及可靠性。实践表明本系统具有硬件电路设计可靠性高, 软件设计流程合理, 系统通讯稳定, 测频精度高, 系统应变快等特点, 适用于混凝土支撑轴力监测系统中, 提升了设备智能化程度。

　　参考文献
　　[1]吴连祥, 樊永平.基坑监测中混凝土支撑轴力监测结果分析与判断[J].江苏建筑, 2015 (2) :99-101.
　　[2]江修, 经亚枝, 张焕春.基于扫频激振技术的单线圈振弦式传感器[J].传感器技术, 2001 (5) :22-24.
　　[3]韩涛.基于振弦传感器的桥梁应力监测系统设计[D].武汉:武汉理工大学, 2009.
　　[4]李红杰, 苗顺占, 傅华明.基于振弦式传感器的桥梁检测系统设计[J].传感器与微系统, 2011 (6) :93-95.
　　[5]吕燚, 李文生, 邓春健.多通道振弦传感器同步测量系统[J].传感技术学报, 2013 (3) :372-376.
　　[6]谢长岭, 周晔, 刘干斌.基坑混凝土支撑轴力监测初始频率的选取[J].浙江建筑, 2013 (8) :34-36.
　　[7]沈竞, 吴舒辞, 吴谨绎.振弦式传感器压力测量系统的优化设计[J].电子测量技术, 2014 (11) :80-85.