基于DTU的加速度強振動記錄終端的設計*

吳林斌 陳志高 關偉智 呂 瀚 李家明 吳雄偉

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

基于DTU的加速度強振動記錄終端的設計*

吳林斌 陳志高 關偉智 呂 瀚 李家明 吳雄偉

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

設計基于DTU的強振記錄終端，采用SOC系列C8051F015型單片機對MEMS加速度計的輸出信號進行A/D轉換，監測待測體所經受的強振加速度值，并通過DTU內嵌的GPRS無線網絡通訊方式將數據發送到遠程數據中心。該系統具有體積小，安裝與操作方便，免維護等特性。

DTU(Data Transfer unit);GPRS(General Packet Radio Service);強振動;數據采集;濾波

1 引言

低頻強振動源會對臨近的建筑體產生較大的影響，高層建筑物或橋梁都明確規定了抗振動要求，一旦超過建筑體抗振要求，將可能會導致建筑體結構變形甚至斷裂，降低建筑體的使用壽命［1］，因此，有必要實時監測建筑體所經受的振動強度，消除安全隱患。

目前，高層建筑物或橋梁主要采用形變監測法或加速度強振儀來檢測振動強度。形變監測法需要在建筑體內部布置形變傳感器，一般需要在建筑物施工初期進行布點，施工要求較高［2］;而加速度傳感器可直接測量樓層受力支撐點的加速度峰值，這種測量方式儀器布點安裝方便，同時后期數據處理方便，可經過多次積分獲得振動速度和位移數據，但普通的加速度強振儀組網時需要布設較長的信號電纜，對電纜的強度要求很高，施工復雜，成本較高。

本文設計一種基于DTU的加速度強振動記錄終端，通過MEMS加速度傳感器，實時監測被測物體的振動情況，由內嵌GPRS無線網絡直接將監測數據傳輸到遠程數據監控中心，不需要鋪設數據信號傳輸電纜，簡化了設備安裝方式，組網十分方便。

2 系統硬件設計

2.1 系統結構

加速度強振動記錄終端主要由微機械加速度傳感器、A/D數據轉換模塊、數據處理與存儲模塊、通訊模塊以及數據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點的強振動信號轉換為電壓信號，經過A/D轉換后傳輸到單片機進行數據處理、存儲和發送到數據處理中心。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.2 DTU模塊設計

DTU模塊專用于將串口數據轉換為IP數據發送到網絡服務器，同時將網絡服務器傳送過來的IP數據轉化為串口數據，應具備GPRS撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能［4］。

本系統采用MC35通信模塊實現GPRS撥號上網，通過ARM芯片SC34510B集成PPP協議與互聯網對接，同時控制MC35芯片實現無線數據收發，DTU模塊結構圖如圖2所示。

圖2 DTU結構框圖Fig.2 DTU block diagram

為了保證模塊的穩定性，ARM模塊采用三星公司裁剪版Linux系統實現無線數據收發與控制，當數據由串口發送給DTU模塊時，DTU模塊內部的數據處理單元將讀取串口緩存，對數據進行TCP/IP協議封裝，并啟動內嵌的GPRS無線網絡模塊，將數據發送至對應INTERNET網絡IP地址。

2.3 數據采集與處理單元

建筑體固有頻率一般在30 Hz以內［4］，若施加在建筑體上的振動頻率較高，將會很快衰減，因此，應選用較低頻的加速度拾振器來完成加速度的探測。本設計選用HAAM-326型MEMS加速度計，其量程為±2G，響應頻帶為0.1～200 Hz。HAAM-326型加速度計可以將振動加速度值直接轉化為電壓信號輸出，輸出電壓值范圍為0.5～1.5 V，該加速度計采用微集成電子機械技術，將水平與垂直3個方向的加速度傳感器集成在3 mm×3 mm×1 mm的空間內，能同時檢測3個正交方向上的振動信號，便于集成安裝［5，6］。

數據處理單元模塊采用51系列C8051F015型單片機作為主芯片進行數據采集處理，其內部集成了34k程序存儲空間和2k數據存儲空間以及A/D轉換模塊，功耗較低，系統運行時鐘可達24 MHz。為了防止無線數據傳輸中斷，在數據采集處理外擴展一片靜態存儲器62256，未及時發送的加速度數據將暫存在外部存儲器中。

為了記錄振動事件發生的事件，在硬件中配置了SD2405AP型時鐘日歷芯片，該芯片是一種內置晶振、帶充電電池、具有標準IIC接口的實時時鐘芯片，當記錄到振動事件時，同時獲取時間發生的時刻。

3 數據采集與處理

由于需要監測的振動頻率較低，有效信號的頻率在30 Hz以下，根據奈奎斯特定理，采樣頻率在60 Hz以上即可滿足要求，本系統采樣頻率取150 Hz以上，可完整的采樣有效信號。由C8051F015控制芯片內部定時器TIME3，精確定時啟動內置A/D模塊以中斷方式進行數據采集，使得A/D轉換模塊對加速度傳感器3個通道進行輪換采樣，再使用中值濾波法進行一次中值濾波，得出最終的有效數據。因此，最終采樣率可按照以式(1)進行計算：其中N為中值濾波數，fs為A/D模塊采樣頻率，Δt為程序運算時間誤差，由于數據處理單元運算很快，可以忽略該時間誤差。

通過定時器設定A/D以38.4k的采樣率進行采樣，每64個點進行一次中值濾波［7］，代入式(1)可計算出采樣頻率為200 Hz。

采樣完成后的數據直接存儲在系統數據存儲區域，并實時與振動事件觸發閾值進行比較，若大于觸發閾值，將觸發一次振動記錄事件。由于數據量較大，數據時間間隔較短(5 ms)，如果同步讀取時鐘芯片獲取每個數據點的時間，將會出現較大的時間誤差，因此，每個數據點采樣時，對應的時間點不可能一一讀取，根據設定的數據采樣頻率，振動事件的任一數據對應的時間標記可按照式(2)進行計算：

其中，h0、m0與s0為觸發振動事件時從日歷芯片中讀取的真實時間。

當采樣數據回落到閾值以下，則判斷振動事件結束。為了完整記錄一次振動事件，在單片機內部數據存儲區域建立一個FIFO隊列存儲區域，實時將數據發送到DTU模塊傳送到遠程數據中心。

4 系統實驗測試結果

系統調試完成后，對設備進行了振動模擬測試。通過單軸激振器產生0.2 g、5 Hz的振動信號施加到本設備上，數據通過無線網絡傳輸后，在計算機終端收到了連續的數據，圖3為數據波形，從圖3中可以看出，數據采集很完整，且較好地響應了輸入震動信號。

圖3 測試數據Fig.3 Test result

5 結語

以MEMS加速度計為基礎、SCO型單片機為核心、GPIO UTD模塊為數據傳送方式的強振記錄終端簡化了傳統強振監測的安裝與布網方式。該裝置大型基礎設施、橋梁監視、工程測振、地質勘探等的振動測試與分析等領域具有較好的應用前景。

1 吳曉波.振動與沖擊對建筑物影響的鑒定方法及工程應用［J］.福建建設科技，2010，1：38-40.

2 陳志高.核島變形觀測技術研究［J］.大地測量與地球動力學，2007，(專)：101-103.

3 陳鳳美.基于GPRS短信模塊的遠程數據控制系統［J］.數字通訊世界，2010，7：64-66.

4 馮牧.列車引發建筑物振動試驗及數值隔振研究［J］.噪聲與振動控制，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，2003，24(6)：260-263.

6 劉鳳麗.一種電容式微加速度計的系統設計與溫度影響分析［J］.沈陽理工大學學報，2009，28(3)：79-82.

7 高克芳，郭建鋼.一種基于噪聲點檢測的自適應中值濾波方法［J］.福建農林大學學報(自然科學版)，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

國家自然科學基金(40774025);中國地震局地震研究所所長基金(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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