崔紅梅，劉修軍，魯 軍，林穩(wěn)章

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的正確定位和辨識(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)損傷的圖像表征方法由于能直觀地給出損傷的范圍、細(xì)節(jié)及位置等特征，是較為理想的損傷表征方法[1-2]。但由于受設(shè)備、傳感器數(shù)量、處理速度等條件限制，普通損傷圖像檢測(cè)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的定位和顯示。因此，如何利用有限的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測(cè)、定位和圖像辨識(shí)，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究中一個(gè)熱點(diǎn)，也是當(dāng)前研究的難點(diǎn)之一[3-4]。壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的壓電效應(yīng)，使壓電傳感器應(yīng)用在結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)的優(yōu)越性也開始日益突出[5]。

基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巡檢人員難以達(dá)到的部位，使結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)輸送到中心數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)[6]。本文在壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件開發(fā)。

1 基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊設(shè)計(jì)

基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊的性能好壞主要受數(shù)據(jù)檢測(cè)部分和數(shù)據(jù)處理部分兩方面誤差的影響，因此，對(duì)該模塊的設(shè)計(jì)主要是對(duì)它的數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊分析并設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)時(shí)，每個(gè)壓電傳感器上都將檢測(cè)到其附著部位的機(jī)械振動(dòng)，根據(jù)壓電效應(yīng)可知，壓電片上將產(chǎn)生成正比的電信號(hào)；每個(gè)壓電片都成為一個(gè)數(shù)據(jù)通道，連接在選通電路中；在單片機(jī)的控制下，譯碼電路產(chǎn)生不同的地址，選通即將顯示的結(jié)構(gòu)部位的壓電片所在通道；通過A/D轉(zhuǎn)換電路將壓電片轉(zhuǎn)化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；當(dāng)通道選擇進(jìn)行到第64路通道時(shí)，單片機(jī)再控制串口通信電路，將檢測(cè)到的64個(gè)數(shù)字信號(hào)在PC機(jī)上顯示出來。探測(cè)無限循環(huán)進(jìn)行，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常的信號(hào)，并對(duì)應(yīng)地探測(cè)信號(hào)所在部位，及時(shí)評(píng)估被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀況，進(jìn)行決策。

2 軟件設(shè)計(jì)分析

軟件部分的設(shè)計(jì)是通過單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)崿F(xiàn)，作為整個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊的關(guān)鍵，主要功能有：選擇選通電路中的壓電信號(hào)、控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、用上位機(jī)程序控制串口通信，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)串口接收數(shù)據(jù)（中斷）和發(fā)送數(shù)據(jù)的控制。為使系統(tǒng)能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出的基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊將在程序控制下進(jìn)行無限循環(huán)的檢測(cè)。流程如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程

3 單片機(jī)控制原理

微處理器是數(shù)據(jù)處理模塊的“心臟”，在整個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊中控制著各個(gè)部協(xié)調(diào)、有序地工作。首先，微處理器要控制譯碼電路工作，獲得選通電路的地址數(shù)據(jù)，對(duì)所對(duì)應(yīng)的CD4067進(jìn)行尋址；然后控制A/D轉(zhuǎn)換電路將采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；最后，微處理器通過芯片MAX232進(jìn)行串口通信，并通過循環(huán)檢測(cè)控制，將處理后的數(shù)據(jù)顯示碼輸出到電腦（PC）的串口通信軟件中進(jìn)行顯示。在keil C環(huán)境下開發(fā)軟件，在模擬調(diào)試程序后，須通過編程器將.hex目標(biāo)文件燒寫入單片機(jī)中才能觀察目標(biāo)樣機(jī)真實(shí)的運(yùn)行狀況。

4 程序分析

4.1 主程序

該主程序通過調(diào)用串口初始化程序，實(shí)現(xiàn)串口程序的初始化，然后初始化ADC0809控制端口，調(diào)用ADC0809采樣程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，然后控制串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，并通過循環(huán)形式不斷重復(fù)采樣和上傳過程。

4.2 串口初始化程序設(shè)計(jì)

本程序使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2作為波特率發(fā)生器，波特率為1 200 bit/s，晶振頻率為11.059 2 MHz，串行口工作于方式1，功能程序如下：

4.3 串口發(fā)送程序

4.4 傳送數(shù)據(jù)的延時(shí)程序

設(shè)計(jì)延時(shí)1 ms的延時(shí)程序，作為采集每個(gè)通道的電信號(hào)的時(shí)間間隔。在循環(huán)調(diào)用后，使數(shù)據(jù)有足夠的時(shí)間進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不引起數(shù)據(jù)沖突。

設(shè)計(jì)延時(shí)500 ms的延時(shí)程序，作為檢測(cè)進(jìn)入第64通道，發(fā)送數(shù)據(jù)的延時(shí)，即每次串口輸出數(shù)據(jù)的延時(shí)時(shí)間為0.5 s。

設(shè)計(jì)自定義延時(shí)N ms（N為任意整數(shù)）的延時(shí)程序，延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短可由不同的x值確定，在軟件調(diào)用中的作用是：AD0809內(nèi)部清零時(shí)數(shù)據(jù)要重新進(jìn)行轉(zhuǎn)換，自定義大于數(shù)據(jù)采集時(shí)間的延時(shí)，以便保證所有轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都已發(fā)送。

4.5 讀取ADC0809中數(shù)據(jù)的程序

對(duì)于讀取ADC0809中數(shù)據(jù)的程序，通過ADC0809內(nèi)部的波特圖進(jìn)行分析，用單片機(jī)控制AD0809實(shí)現(xiàn)一個(gè)采樣周期的采樣。

5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

在完成對(duì)基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行軟件程序編寫，模仿普通的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)對(duì)制作的電路板進(jìn)行了測(cè)試。

串口每相隔224 s接收到一次64通道采樣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通道顯示窗口中顯示的是每個(gè)壓電通道經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊后轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，以及每個(gè)通道在檢測(cè)到不同數(shù)值時(shí)的色彩變化，輸出的數(shù)據(jù)及示波器檢測(cè)到的信號(hào)分別如圖2所示。

圖2 64路數(shù)據(jù)通道顯示上顯示檢測(cè)的壓電信號(hào)及與示波器對(duì)比

6 結(jié)語

本文詳細(xì)地介紹了基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)模塊的軟件開發(fā)過程。系統(tǒng)采用壓電片陣列傳感器采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用單片機(jī)程序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使被測(cè)結(jié)構(gòu)上發(fā)生的剛性變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。多路選通電路實(shí)現(xiàn)壓電信號(hào)的異步接入，然后通過信號(hào)采集、處理電路對(duì)壓電信號(hào)進(jìn)行采集，最終送入電腦串口，在電腦顯示屏上通過顏色的變化顯示采樣數(shù)據(jù)的特性，從而確定結(jié)構(gòu)表面各區(qū)域結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基于壓電陣列的結(jié)構(gòu)狀態(tài)探測(cè)。