张吉圭 陈敏 王义 马剑钧 唐春婷

摘 要：振弦式传感器是桥梁应力监测系统中应用最为广泛的传感器。针对振弦式传感器的结构特点，本文将FPGA和ARM作为核心处理器来构建桥梁应力结构监测系统。其主要包括四个部分，即数据采集子系统、FPGA数据处理系统、数据传输系统和数据管理及应用系统。其间利用FPGA型号为EP4CE10E22C8N的处理器，构建激振信号模块、扫频信号模块、测频信号模块和顶层模块，对传感器的频率信号进行测量，测量准确率达99%。同时，利用ARM处理器型号为STM32F407的CPU和中国移动的OneNet物联网平台来实现数据传输、系统控制及人机交互等操作。试验表明，系统的稳定性及可靠性高，抗干扰能力强，可供工程技术人员参考。

关键词：桥梁应力;FPGA;ARM;OneNet;振弦式传感器

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0122-03

Abstract： Vibrating wire sensor is the most widely used sensor in bridge stress monitoring system. Aiming at the structural characteristics of the vibrating wire sensor， this paper used FPGA and ARM as the core processor to build a bridge stress structure monitoring system， which mainly included four parts， namely data acquisition subsystem， FPGA data processing system， data transmission system and data management and application system. In the meantime， the FPGA model EP4CE10E22C8N was used to construct the excitation signal module， the frequency sweep signal module， the frequency measurement signal module and the top-level module to measure the frequency signal of the sensor with a measurement accuracy rate of 99%. At the same time， the ARM processor model STM32F407 CPU and China Mobile's OneNet Internet of Things platform were used to realize data transmission， system control and human-computer interaction. The test shows that the system has high stability and reliability and strong anti-interference ability， which can be used as a reference for engineering and technical personnel.

Keywords： bridge stress;FPGA;ARM;OneNet;vibrating wire sensor

随着社会经济的发展，我国桥梁建设取得举世瞩目的成就。但受外界环境因素的影响，桥梁结构不可避免会出现损伤和破坏，桥梁建筑健康问题备受社会各界关注。桥梁建筑灾害不仅对环境、资源及财产造成严重的损失，还威胁人们的生命财产安全[1-3]。本文结合国内外桥梁技术的发展和电子监测系统的应用，搭建桥梁应力结构的远程监控系统，以期实现桥梁健康状况的监测，为桥梁结构的维护防治工作提供依据。下面进行桥梁应力结构远程监测系统的构成分析。

为实现桥梁应力结构数据的可视化，加强桥梁健康状况监测，本研究设计了基于振弦式传感器的桥梁应力结构远程监测系统，其框架如图1所示。本系统主要由数据采集子系统、数据处理子系统、数据管理应用及传输子系统组成[4-6]。

1 振弦式传感器

振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小，通过相应的测量电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号，而且刚弦频率随钢丝应力变化而变化，人们可以利用这一原理来测量桥梁应力变化。振弦式传感器输出的是频率信号，频率信号是能获得很高测量精度的信号，适合于远距离传输，它的精度不会降低。从结构来看，振弦式传感器没有活动元件，抗干扰能力强，适用于橋梁应力系统的监测。总的来说，振弦传感器有如下特点：输出信号稳定性高，长期工作可靠性高，适合长距离传输，适宜在恶劣环境下工作[7-8]。

1.1 振弦式传感器工作特性

振子在振动时具有一定阻尼，需要消耗能量，因而在工作时需要外部激励，其工作原理框图如图2所示。激振信号激发振子振动，而拾振元件检测产生的频率信号通过放大电路输送到激振信号。振弦式传感器内部的振弦受力不同，其产生的频率发生变化。当人们通过一组不同频率值去激励振弦振动，产生共振，依据得出的频率值，就能计算出传感器的受力情况。

1.2 振弦传感器的温度特性

振弦式传感器是以金属弦的张力变化为基础而工作的，而温度直接影响弦的张力变化。为了消除温度对振弦式传感器的影响，人们可以采用硬件补偿法和软件补偿法。与硬件补偿法相比，软件补偿法效果更好，精度更高。软件补偿法综合利用数字温度传感器和微处理器，充分使用软件的功能——温度补偿算法，如二维回归法、多项式拟合法，实现传感器温度误差的修正。而硬件补偿法是在检测电路中设计一个电桥电路，产生一个与温度漂移值大小相等、符号相反的信号，相互抵消来实现温度的补偿。

2 FPGA数据处理系统

振弦式传感器用于采集弦振动的频率，必须先激振。激振方法有两种：一是给传感器一个瞬时的高电压、大电流信号，需要设计升压电路;二是共振法，文中利用FPGA处理器给传感器一个激振的方波信号，当方波信号频率跟传感器振子振动的频率接近时，产生共振。激振之后，撤去激振信号，传感器会产生一个频率信号，系统根据这个信号就能够计算出振弦式传感器的频率，进而计算出桥梁的应力。

数据处理系统采用Altera公司的FPGA，型号为EP4CE10E22C8N可编程逻辑控制器，采用共振的方法来实现多路振弦传感器频率的测量，因此在软件上构建激振信号模块、扫频信号模块、测频信号模块、顶层模块四个状态机来测量振弦传感器的频率，软件结构框图如图3所示。其中，激振信号模块主要用于控制激振时序，给测频模块和扫频模块发出控制指令。扫频模块以一定的基础数据和扫频增量为基础不断发出不同频率的扫频信号，扫频增量由ARM处理器、型号为STM32F407的处理器配置调节。测频模块用于接收激振模块、扫频模块的控制信号来测量弦振传感器的频率数据。

图3设计了16路的传感器及扫频信号，扫频信号通过达林顿管驱动为高频高压的激振脉冲信号，去激振振子，使振弦振动，产生测量的频率信号，由于振弦式传感器产生的信号微弱，人们需要对信号进行放大，因此利用滤波、放大、整形输出来实现信号的处理。图3中，测频模块测量出传感器的频率信号后，会将其发送给FPGA数据处理系统的顶层模块，该模块就负责和ARM处理器搭建的数据传输系统进行数据交互，对桥梁应力的数据进行上传。

3 数据传输

数据传输系统主要由ST公司的ARM处理器、型号为STM32F407的CPU来实现通信功能，该传输系统一端通过串口连接FPGA数据处理系统，一端通过4G模块连接移动的OneNet物联网平台。

OneNet中国移动物联网开放平台是由中国移动打造的PaaS物联网开放的平台，支持主流的设备接入协议，可以使设备快速接入OneNet物联网平台，其围绕“云管边端”的布局，提供了专网专号、海量连接、在线监控、数据存储、消息并发、能力输出、事件警告、数据分析八大功能，为设备的接入提供了便捷可靠的连接，为数据的存储及分析提供了安全有效的保障。

数据传输系统连接了OneNet物联网平台，使得数据传送更为可靠、安全。进而实现桥梁应力数据、云服务器、人和物的互联互通。人们使用APP或小程序能够直接查看当前桥梁的应力数据及健康情况，同时可以通过人机界面发出控制指令给数据采集系统，实现相关的数据采集转发功能。

4 数据管理及应用系统

数据管理系统及应用系统由云服务器、Web端、小程序及APP应用程序来实现。云服务器连接了OneNet物联网平台、APP、Web端及小程序，OneNet物联网平台把感知层采集的相关数据传送给云数据服务器进行存储，而APP、Web端及小程序作为应用端，主要负责数据的显示和人机互联的功能。云服务器对感知层采集的桥梁数据进行管理存储，而Web端及APP可以对该桥梁的结构、应力变化进行动态监测、分析及预警。如果遇桥梁的结构、应力发生较大变化，就会实时转发对桥梁结构性造成影响的报警数据，避免桥梁因应力变化而垮塌，从而消除因桥梁结构安全隐患给社会带来的影响。可见，应力数据是桥梁结构安全的一项重要数据，可以为桥梁分析和维护提供可靠的依据，便于排除桥梁应力隐患，保证桥梁的安全性和可靠性，消除桥梁应力结构造成的垮塌给社会带来的影响。

5 结语

本文采用两种高性能处理器，即Altera公司的EP4CE10E22C8N和ST公司的STM32F407，两个CPU协同工作，减轻了CPU的工作负担，解决了系统多路传感器数据传输、测量及分析方面的难题，保障数据传输和存储的有效性和实时性，提高系统可靠性及响应速度。数据管理及应用系统采用中国移动的OneNet物联网平台对数据进行存储及应用管理，实现数据的安全共享、实时开放、人物互联和物物互联，为桥梁结构的健康状况及后期维护提供有效的数据保障。该桥梁应力结构远程监测系统在实际应用中仍需要改进，以FPGA处理器作为数据处理的核心，利用ARM处理器进行数据传输、显示、存储，两个CPU之间的通信协议和通信接口需要规范。下一步主要研究两个处理器之间的CAN通信，提高系统传输的速率和精度。

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