橋梁加速度信號調理器的製作方法

2023-05-29 19:47:46 2

專利名稱：橋梁加速度信號調理器的製作方法
技術領域：
本發明涉及信號同步採集技術領域，尤其是一種具備支持IEEE1588協議同步採樣、PoE乙太網供電、網絡傳輸、對外控制等功能的橋梁加速度信號調理器，特別是適用於橋梁結構振動數據的分布式採集。
背景技術：
在橋梁結構動振動數據的採集中，傳統的方法是採用人工進行數據的測量、記錄和處理。由於人工監測方式測量速度慢，耗時長，難以實現多點的同時監測，無法保證各測點工作狀態的一致性。例如8:00與10:00測的數據由於溫度的影響造成狀態不一致，再加上測點位置的不同，在處理時就較難消除溫度的影響，數據的處理就變得比較複雜。而且數據在測量、記錄、處理過程中也難免引入人為的誤差甚至錯誤。
在數據同步採集中，被廣泛使用的的方式是，給每個設備發送高精度的脈衝信號，如每秒通過獨立的信道或線路向每個設備發送一個信號。這種方式雖然能達到相當高的精度，但要求較多的額外線路承擔脈衝傳送，致使布線比較困難，特別是在特殊的環境，如特大型橋梁中。傳統供電方式是鋪設單獨的電纜，複雜了安裝過程中及任何未來網絡改動過程中的電纜管理，提高了人力和電源線的成本。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明克服了上述缺點，提供了一種採樣數據同步、精度高、數據處理方便的橋梁加速度信號調理器，以簡化對電纜的管理，降低人力和電源線的成本。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種橋梁加速度信號調理器，該橋梁加速度信號調理器包括MCU電路l、PoE供電電路2、看門狗電路3、RS232/485通信電路4、乙太網通信電路5、「一線總線」接口電路6、實時時鐘電路7、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、信號調理電路10、激勵信號發生電路11、傳感器接口電路12、IEEE1588同步電路13和PGA電路14 ；其中，MCU電路I分別連接於PoE供電電路2、看門狗電路3、RS232/485通信電路4、乙太網通信電路5、「一線總線」接口電路6、實時時鐘電路7、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、激勵信號發生電路11和IEEE1588同步電路13 ;4通道A/D轉換電路9依次通過信號調理電路10和PGA電路14連接於傳感器接口電路12，傳感器接口電路12通過激勵信號發生電路11連接於MCU電路I ;MCU電路I接收4通道A/D轉換電路9輸入的採樣信號，並對該採樣信號進行打包處理，得到符合TCP/IP協議的數據包，然後將該數據包輸出給乙太網通信電路5，RS232/485通信電路4和乙太網通信電路5分別通過通信協議使MCU電路I與上位機通信。
上述方案中，所述PoE供電電路2將乙太網上的電源進行整流、濾波、調製和穩壓處理，得到±12v、5v和3. 3v電壓，分別給MCU電路I、看門狗電路3、RS232/485通信電路4、乙太網通信電路5、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、信號調理電路10和激勵信號發生電路11進行供電。上述方案中，所述看門狗電路3保證系統穩定可靠的工作，當系統由於電磁幹擾和軟體故障發生死機時，看門狗電路3發出復位信號對MCU電路I進行復位，以保證系統正
常工作。上述方案中，所述「一線總線」接口電路6接收傳感器接口電路12輸入的由一線制溫度傳感器產生的溫度信號，然後將該溫度信號輸出給MCU電路I。上述方案中，所述實時時鐘電路7將時間信號輸出給MCU電路I。上述方案中，所述數據存儲電路8接收並存儲MCU電路I輸入的系統配置參數。上述方案中，所述IEEE1588同步電路13接收乙太網通信電路5的數據包，調整MCU電路I內部時間寄存器，與網絡中的時鐘伺服器保持同步，並對乙太網通信電路5發出的數據包加入同步時間標籤。上述方案中，所述激勵信號發生電路11接收MCU電路I輸入的控制信號，對該控制信號進行解析得到激勵信號，然後將得到的該激勵信號通過傳感器接口電路12輸出給傳感器。上述方案中，所述4通道/D轉換電路9接收信號調理電路10輸入的電壓信號，對該電壓信號進行採樣保持轉換，得到採樣信號，然後將得到的該採樣信號輸出給MCU電路I ;所述信號調理電路10接收PGA電路14輸入的電壓信號，對該電壓信號進行放大和濾波處理，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給4通道A/D轉換電路9 ;所述PGA電路14接收傳感器接口電路12輸入的電壓信號，對該電壓信號進行放大或者減小，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給信號調理電路10。上述方案中，所述傳感器接口電路12接收激勵信號發生電路11輸入的激勵信號，然後將得到的該激勵信號輸出給傳感器；該傳感器產生的應力信號輸出給傳感器接口電路12，傳感器接口電路12產生相應的電壓信號並傳輸給信號調理電路10。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的這種橋梁加速度信號調理器，是基於分布式工業乙太網的電測法，時間同步採用IEEE1588V2標準(網絡化測量和控制系統的精確時鐘同步協議，通常稱為Precision Time Protocol,簡稱PTP)，供電採用IEEE802. 3af標準(Power-over-Ethernet乙太網供電),簡化了對電纜的管理，降低了人力和電源線的成本。2、本發明提供的這種橋梁加速度信號調理器，計算機與橋梁加速度信號調理器通訊距離可達100米(5類網絡雙絞線)，如用光纖通訊距離可達數公裡。由於採用了網絡分布式方案，用戶能根據測量需要，把任意幾臺橋梁加速度信號調理器組成網絡，構成若干點應變測量。3、本發明提供的這種橋梁加速度信號調理器，乙太網精確時間同步技術(IEEE1588)能夠在區域網內實現小於I U S的時鐘抖動(一般小於0. 2 ii S)，可以解決分布式工業乙太網橋梁監測系統的實時性、同步性問題。
4、本發明提供的這種橋梁加速度信號調理器，PoE乙太網供電技術的優點是只使用一條電纜，為每臺橋梁加速度信號調理器同時提供通信和電源，因此可以經濟地布設橋梁應變調理器，而不需額外的供電電纜。這使橋梁健康監測系統擁有了眾多優勢，支持PoE的設備可以迅速、簡便地挪動和遷移，使導致的不良影響達到最小，並簡化了安裝過程中及任何未來網絡改動過程中的電纜管理，降低了人力和電源線的成本，提高了整個測試工作的效率和測試精度，增強適應性，可靠性，穩定性。


圖I是本發明提供的橋梁加速度信號調理器的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照
附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖I所示，圖I是本發明提供的橋梁加速度信號調理器的結構示意圖。該橋梁加速度信號調理器包括MCU電路I、PoE供電電路2、看門狗電路3、RS232/485通信電路4、乙太網通信電路5、「一線總線」接口電路6、實時時鐘電路7、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、信號調理電路10、激勵信號發生電路11、傳感器接口電路12、IEEE1588同步電路13和PGA電路14。其中，MCU電路I分別連接於PoE供電電路2、看門狗電路3、RS232/485通信電路
4、乙太網通信電路5、「一線總線」接口電路6、實時時鐘電路7、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、激勵信號發生電路11和IEEE1588同步電路13 ;4通道A/D轉換電路9依次通過信號調理電路10和PGA電路14連接於傳感器接口電路12，傳感器接口電路12通過激勵信號發生電路11連接於MCU電路I。MCU 電路 I 採用支持 ffiEE1588V2 協議的 32 位 ARM CPU, CPU 有 IM 的 FLASH、128K的 SRAM、100 Ethernet MAC 和硬體 IEEE 1588v2 支持，最高處理能力 150DMIPS。MCU 電路 I接收4通道A/D轉換電路9輸入的採樣信號，並對該採樣信號進行打包處理，得到符合TCP/IP協議的數據包，然後將該數據包輸出給乙太網通信電路5，IEEE1588同步電路13在數據包加入時間標籤，RS232/485通信電路4和乙太網通信電路5分別通過通信協議使MCU電路I與上位機通信。PoE供電電路2將乙太網上的電源進行整流、濾波、調製和穩壓處理，得到±12v、5v和3. 3v電壓，分別給MCU電路I、看門狗電路3、RS232/485通信電路4、乙太網通信電路5、數據存儲電路8、4通道A/D轉換電路9、信號調理電路10、激勵信號發生電路11、IEEE1588同步電路13和PGA電路14進行供電。看門狗電路3用於保證系統穩定可靠的工作，當系統由於電磁幹擾和軟體故障發生死機時，看門狗電路3發出復位信號對MCU電路I進行復位，以保證系統正常工作。「一線總線」接口電路6接收傳感器接口電路12輸入的由一線制溫度傳感器產生的溫度信號，然後將該溫度信號輸出給MCU電路I。實時時鐘電路7將時間信號輸出給MCU電路I。數據存儲電路8接收並存儲MCU電路I輸入的系統配置參數。
4通道A/D轉換電路9接收信號調理電路10輸入的電壓信號，對該電壓信號進行採樣保持轉換，得到採樣信號，然後將得到的該採樣信號輸出給MCU電路I。其中的4通道AD採用16位的SAR AD，基準採用優於10PPMM/攝氏度的REF192。信號調理電路10接收PGA電路14輸入的電壓信號，對該電壓信號進行濾波處理，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給4通道A/D轉換電路9。PGA電路14接收傳感器接口電路12輸入的電壓信號，對該電壓信號進行放大或者減小，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給信號調理電路10。激勵信號發生電路11接收MCU電路I輸入的控制信號，對該控制信號進行解析得到激勵信號，然後將得到的該激勵信號通過傳感器接口電路12輸出給傳感器。傳感器接口電路12接收激勵信號發生電路11輸入的激勵信號，然後將得到的該 激勵信號輸出給傳感器。該傳感器可為加速度傳感器，其產生的振動信號輸出給傳感器接口電路12，傳感器接口電路12產生相應的電壓信號並傳輸給PGA電路14。為了避免開關壓降引起的誤差，避免引線電阻的誤差，激勵信號發生電路11中電路的激勵採用恆流源激勵，測量的效果和精度會更好。對於激勵信號採用開關電路進行驅動，這樣可用抵消放大器的溫度漂移和熱電偶效應以及電解效應引起的漂移，大大降低前端電路的要求。激勵信號發生電路11中的激勵電流為50mA直流穩定信號，需要經過一個由4個開關構成的橋電路，變成一個對稱方波激勵。信號測量時，首先測量正向激勵的放大器輸出V01，然後再測量反向激勵下的放大器輸出V02，這樣通過VOl減去V02，就完全抵消了熱電偶效應，放大器溫度漂移，失調等引起的溫度漂移問題。對於傳感器的本身的時間漂移和非彈性形變間題要靠定期的校驗解決。本發明比較了 NVRAM、FLASH和FERAM技術，最終決定鐵電存儲器(FRAM)作為數據存儲器，因為存儲的是關鍵數據，容量不需要很大，選用24CL16即可。基於上述結構，本發明的工作過程如下當橋梁加速度信號調理器乙太網通信電路5接收到上位機發來的數據採集命令後MCU電路I進行解析，根據解析結果MCU電路I進行相應的參數配置。MCU電路I控制激勵信號發生電路11產生激勵信號通過傳感器接口電路12輸出到傳感器，傳感器產生微弱信號，該微弱信號進入PGA電路14和信號調理電路10，經PGA電路14放大和信號調理電路10濾波處理後輸入到4通道A/D轉換電路9做採樣保持並轉換，4通道A/D轉換結果送入MCU電路I。MCU電路I上電後運行IEEE1588V2協議，保證同步採集數據。採集完成後將採集數據及相關信息通過乙太網通信電路5回傳給上位機，完成整個數據採集工作。以上對本發明所提供的橋梁加速度信號調理器進行了詳細介紹，本文中應用了具體實施例對本發明的原理及實施方式進行了闡述。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，該橋梁加速度信號調理器包括MCU電路(l)、PoE供電電路(2)、看門狗電路(3)、RS232/485通信電路(4)、乙太網通信電路(5)、「一線總線」接口電路(6)、實時時鐘電路(7)、數據存儲電路⑶、4通道A/D轉換電路(9)、信號調理電路(10)、激勵信號發生電路(11)、傳感器接口電路(12)、IEEE1588同步電路(13)和PGA電路(14)； 其中，MCU電路⑴分別連接於PoE供電電路⑵、看門狗電路(3)、RS232/485通信電路(4)、乙太網通信電路(5)、「一線總線」接口電路(6)、實時時鐘電路(7)、數據存儲電路(8)、4通道A/D轉換電路(9)、激勵信號發生電路(11)和IEEE1588同步電路(13) ;4通道A/D轉換電路(9)依次通過信號調理電路(10)和PGA電路(14)連接於傳感器接口電路(12)，傳感器接口電路(12)通過激勵信號發生電路(11)連接於MCU電路⑴；MCU電路⑴接收4通道A/D轉換電路(9)輸入的採樣信號，並對該採樣信號進行打包處理，得到符合TCP/IP協議和標準串口協議的數據包，然後將該數據包輸出給乙太網通信電路(5)和RS232/485通信電路(4)，RS232/485通信電路⑷和乙太網通信電路(5)分別通過通信協議使MCU電路(I)與上位機通信。
2.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述PoE供電電路(2)將乙太網上的電源進行整流、濾波、調製和穩壓處理，得到±12v、5v和3. 3v電壓，分別給MCU電路(I)、看門狗電路(3)、RS232/485通信電路(4)、乙太網通信電路(5)、數據存儲電路⑶、4通道A/D轉換電路(9)、信號調理電路(10)、激勵信號發生電路(11)、IEEE1588同步電路(13)和PGA電路(14)進行供電。
3.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述看門狗電路(3)保證系統穩定可靠的工作，當系統由於電磁幹擾和軟體故障發生死機時，看門狗電路(3)發出復位信號對MCU電路(I)進行復位，以保證系統正常工作。
4.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述「一線總線」接口電路(6)接收傳感器接口電路(12)輸入的由一線制溫度傳感器產生的溫度信號，然後將該溫度信號輸出給MCU電路⑴。
5.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述實時時鐘電路(7)將時間信號輸出給MCU電路⑴。
6.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述數據存儲電路(8)接收並存儲MCU電路(I)輸入的系統配置參數。
7.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述IEEE1588同步電路(13)接收乙太網通信電路(5)的數據包，調整MCU電路⑴內部時間寄存器，與網絡中的時鐘伺服器保持同步，並對乙太網通信電路(5)發出的數據包加入同步時間標籤。
8.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述激勵信號發生電路(11)接收MCU電路(I)輸入的控制信號，對該控制信號進行解析得到激勵信號，然後將得到的該激勵信號通過傳感器接口電路(12)輸出給傳感器。
9.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於， 所述4通道A/D轉換電路(9)接收信號調理電路(10)輸入的電壓信號，對該電壓信號進行採樣保持轉換，得到採樣信號，然後將得到的該採樣信號輸出給MCU電路(I)； 所述信號調理電路(10)接收PGA電路(14)輸入的電壓信號，對該電壓信號進行濾波處理，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給4通道A/D轉換電路(9)； 所述PGA電路(14)接收傳感器接口電路(12)輸入的電壓信號，對該電壓信號進行放大或者減小，得到電壓信號，然後將得到的該電壓信號輸出給信號調理電路(10)。
10.根據權利要求I所述的橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，所述傳感器接口電路(12)接收激勵信號發生電路(11)輸入的激勵信號，然後將得到的該激勵信號輸出給傳感器；該傳感器產生的加速度信號輸出給傳感器接口電路(12)，傳感器接口電路(12)產生相應的電壓信號並傳輸給信號調理電路(10)。
全文摘要
本發明公開了一種橋梁加速度信號調理器，其特徵在於，該橋梁加速度信號調理器包括MCU電路、IEEE1588同步電路、PoE供電電路、看門狗電路、RS232/485通信電路、乙太網通信電路、「一線總線」接口電路、RTC電路、數據存儲電路、4通道A/D轉換電路、信號調理電路、PGA電路、激勵信號發生電路和傳感器接口電路。本發明擴大了信號調理器動態範圍，提高調理器之間的同步精度並簡化了對電纜的管理，降低了人力和電源線的成本。
文檔編號G05B19/04GK102749864SQ201210245619
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月16日 優先權日2012年7月16日
發明者馮良平, 劉志強, 劉芳亮, 周兵, 李娜, 殷鵬雷, 裴岷山, 謝浩 申請人:中交公路規劃設計院有限公司