CN102749864A - 桥梁加速度信号调理器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁加速度信号调理器，其特征在于，该桥梁加速度信号调理器包括MCU电路、IEEE1588同步电路、PoE供电电路、看门狗电路、RS232/485通信电路、以太网通信电路、“一线总线”接口电路、RTC电路、数据存储电路、4通道A/D转换电路、信号调理电路、PGA电路、激励信号发生电路和传感器接口电路。本发明扩大了信号调理器动态范围，提高调理器之间的同步精度并简化了对电缆的管理，降低了人力和电源线的成本。
Description
技术领域
本发明涉及信号同步采集技术领域，尤其是一种具备支持IEEE1588协议同步采样、PoE以太网供电、网络传输、对外控制等功能的桥梁加速度信号调理器，特别是适用于桥梁结构振动数据的分布式采集。
背景技术
在桥梁结构动振动数据的采集中，传统的方法是采用人工进行数据的测量、记录和处理。由于人工监测方式测量速度慢，耗时长，难以实现多点的同时监测，无法保证各测点工作状态的一致性。例如8:00与10:00测的数据由于温度的影响造成状态不一致，再加上测点位置的不同，在处理时就较难消除温度的影响，数据的处理就变得比较复杂。而且数据在测量、记录、处理过程中也难免引入人为的误差甚至错误。
在数据同步采集中，被广泛使用的的方式是，给每个设备发送高精度的脉冲信号，如每秒通过独立的信道或线路向每个设备发送一个信号。这种方式虽然能达到相当高的精度，但要求较多的额外线路承担脉冲传送，致使布线比较困难，特别是在特殊的环境，如特大型桥梁中。
传统供电方式是铺设单独的电缆，复杂了安装过程中及任何未来网络改动过程中的电缆管理，提高了人力和电源线的成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明克服了上述缺点，提供了一种采样数据同步、精度高、数据处理方便的桥梁加速度信号调理器，以简化对电缆的管理，降低人力和电源线的成本。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种桥梁加速度信号调理器，该桥梁加速度信号调理器包括MCU电路1、PoE供电电路2、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、“一线总线”接口电路6、实时时钟电路7、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、信号调理电路10、激励信号发生电路11、传感器接口电路12、IEEE1588同步电路13和PGA电路14；
其中，MCU电路1分别连接于PoE供电电路2、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、“一线总线”接口电路6、实时时钟电路7、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、激励信号发生电路11和IEEE1588同步电路13；4通道A/D转换电路9依次通过信号调理电路10和PGA电路14连接于传感器接口电路12，传感器接口电路12通过激励信号发生电路11连接于MCU电路1；
MCU电路1接收4通道A/D转换电路9输入的采样信号，并对该采样信号进行打包处理，得到符合TCP/IP协议的数据包，然后将该数据包输出给以太网通信电路5，RS232/485通信电路4和以太网通信电路5分别通过通信协议使MCU电路1与上位机通信。
上述方案中，所述PoE供电电路2将以太网上的电源进行整流、滤波、调制和稳压处理，得到±12v、5v和3.3v电压，分别给MCU电路1、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、信号调理电路10和激励信号发生电路11进行供电。
上述方案中，所述看门狗电路3保证系统稳定可靠的工作，当系统由于电磁干扰和软件故障发生死机时，看门狗电路3发出复位信号对MCU电路1进行复位，以保证系统正常工作。
上述方案中，所述“一线总线”接口电路6接收传感器接口电路12输入的由一线制温度传感器产生的温度信号，然后将该温度信号输出给MCU电路1。
上述方案中，所述实时时钟电路7将时间信号输出给MCU电路1。
上述方案中，所述数据存储电路8接收并存储MCU电路1输入的系统配置参数。
上述方案中，所述IEEE1588同步电路13接收以太网通信电路5的数据包，调整MCU电路1内部时间寄存器，与网络中的时钟服务器保持同步，并对以太网通信电路5发出的数据包加入同步时间标签。
上述方案中，所述激励信号发生电路11接收MCU电路1输入的控制信号，对该控制信号进行解析得到激励信号，然后将得到的该激励信号通过传感器接口电路12输出给传感器。
上述方案中，所述4通道/D转换电路9接收信号调理电路10输入的电压信号，对该电压信号进行采样保持转换，得到采样信号，然后将得到的该采样信号输出给MCU电路1；所述信号调理电路10接收PGA电路14输入的电压信号，对该电压信号进行放大和滤波处理，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给4通道A/D转换电路9；所述PGA电路14接收传感器接口电路12输入的电压信号，对该电压信号进行放大或者减小，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给信号调理电路10。
上述方案中，所述传感器接口电路12接收激励信号发生电路11输入的激励信号，然后将得到的该激励信号输出给传感器；该传感器产生的应力信号输出给传感器接口电路12，传感器接口电路12产生相应的电压信号并传输给信号调理电路10。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种桥梁加速度信号调理器，是基于分布式工业以太网的电测法，时间同步采用IEEE1588V2标准(网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通常称为Precision Time Protocol，简称PTP)，供电采用IEEE802.3af标准(Power-over-Ethernet以太网供电)，简化了对电缆的管理，降低了人力和电源线的成本。
2、本发明提供的这种桥梁加速度信号调理器，计算机与桥梁加速度信号调理器通讯距离可达100米(5类网络双绞线)，如用光纤通讯距离可达数公里。由于采用了网络分布式方案，用户能根据测量需要，把任意几台桥梁加速度信号调理器组成网络，构成若干点应变测量。
3、本发明提供的这种桥梁加速度信号调理器，以太网精确时间同步技术(IEEE1588)能够在局域网内实现小于1μS的时钟抖动(一般小于0.2μS)，可以解决分布式工业以太网桥梁监测系统的实时性、同步性问题。
4、本发明提供的这种桥梁加速度信号调理器，PoE以太网供电技术的优点是只使用一条电缆，为每台桥梁加速度信号调理器同时提供通信和电源，因此可以经济地布设桥梁应变调理器，而不需额外的供电电缆。这使桥梁健康监测系统拥有了众多优势，支持PoE的设备可以迅速、简便地挪动和迁移，使导致的不良影响达到最小，并简化了安装过程中及任何未来网络改动过程中的电缆管理，降低了人力和电源线的成本，提高了整个测试工作的效率和测试精度，增强适应性，可靠性，稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的桥梁加速度信号调理器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的桥梁加速度信号调理器的结构示意图。该桥梁加速度信号调理器包括MCU电路1、PoE供电电路2、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、“一线总线”接口电路6、实时时钟电路7、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、信号调理电路10、激励信号发生电路11、传感器接口电路12、IEEE1588同步电路13和PGA电路14。
其中，MCU电路1分别连接于PoE供电电路2、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、“一线总线”接口电路6、实时时钟电路7、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、激励信号发生电路11和IEEE1588同步电路13；4通道A/D转换电路9依次通过信号调理电路10和PGA电路14连接于传感器接口电路12，传感器接口电路12通过激励信号发生电路11连接于MCU电路1。
MCU电路1采用支持IEEE1588V2协议的32位ARM CPU，CPU有1M的FLASH、128K的SRAM、100 Ethernet MAC和硬件IEEE 1588v2支持，最高处理能力150DMIPS。MCU电路1接收4通道A/D转换电路9输入的采样信号，并对该采样信号进行打包处理，得到符合TCP/IP协议的数据包，然后将该数据包输出给以太网通信电路5，IEEE1588同步电路13在数据包加入时间标签，RS232/485通信电路4和以太网通信电路5分别通过通信协议使MCU电路1与上位机通信。
PoE供电电路2将以太网上的电源进行整流、滤波、调制和稳压处理，得到±12v、5v和3.3v电压，分别给MCU电路1、看门狗电路3、RS232/485通信电路4、以太网通信电路5、数据存储电路8、4通道A/D转换电路9、信号调理电路10、激励信号发生电路11、IEEE1588同步电路13和PGA电路14进行供电。
看门狗电路3用于保证系统稳定可靠的工作，当系统由于电磁干扰和软件故障发生死机时，看门狗电路3发出复位信号对MCU电路1进行复位，以保证系统正常工作。
“一线总线”接口电路6接收传感器接口电路12输入的由一线制温度传感器产生的温度信号，然后将该温度信号输出给MCU电路1。
实时时钟电路7将时间信号输出给MCU电路1。数据存储电路8接收并存储MCU电路1输入的系统配置参数。
4通道A/D转换电路9接收信号调理电路10输入的电压信号，对该电压信号进行采样保持转换，得到采样信号，然后将得到的该采样信号输出给MCU电路1。其中的4通道AD采用16位的SAR AD，基准采用优于10PPMM/摄氏度的REF192。
信号调理电路10接收PGA电路14输入的电压信号，对该电压信号进行滤波处理，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给4通道A/D转换电路9。
PGA电路14接收传感器接口电路12输入的电压信号，对该电压信号进行放大或者减小，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给信号调理电路10。
激励信号发生电路11接收MCU电路1输入的控制信号，对该控制信号进行解析得到激励信号，然后将得到的该激励信号通过传感器接口电路12输出给传感器。
传感器接口电路12接收激励信号发生电路11输入的激励信号，然后将得到的该激励信号输出给传感器。该传感器可为加速度传感器，其产生的振动信号输出给传感器接口电路12，传感器接口电路12产生相应的电压信号并传输给PGA电路14。
为了避免开关压降引起的误差，避免引线电阻的误差，激励信号发生电路11中电路的激励采用恒流源激励，测量的效果和精度会更好。对于激励信号采用开关电路进行驱动，这样可用抵消放大器的温度漂移和热电偶效应以及电解效应引起的漂移，大大降低前端电路的要求。
激励信号发生电路11中的激励电流为50mA直流稳定信号，需要经过一个由4个开关构成的桥电路，变成一个对称方波激励。信号测量时，首先测量正向激励的放大器输出VO1，然后再测量反向激励下的放大器输出VO2，这样通过VO1减去VO2，就完全抵消了热电偶效应，放大器温度漂移，失调等引起的温度漂移问题。
对于传感器的本身的时间漂移和非弹性形变间题要靠定期的校验解决。
本发明比较了NVRAM、FLASH和FERAM技术，最终决定铁电存储器(FRAM)作为数据存储器，因为存储的是关键数据，容量不需要很大，选用24CL16即可。
基于上述结构，本发明的工作过程如下：当桥梁加速度信号调理器以太网通信电路5接收到上位机发来的数据采集命令后MCU电路1进行解析，根据解析结果MCU电路1进行相应的参数配置。MCU电路1控制激励信号发生电路11产生激励信号通过传感器接口电路12输出到传感器，传感器产生微弱信号，该微弱信号进入PGA电路14和信号调理电路10，经PGA电路14放大和信号调理电路10滤波处理后输入到4通道A/D转换电路9做采样保持并转换，4通道A/D转换结果送入MCU电路1。MCU电路1上电后运行IEEE1588V2协议，保证同步采集数据。采集完成后将采集数据及相关信息通过以太网通信电路5回传给上位机，完成整个数据采集工作。
以上对本发明所提供的桥梁加速度信号调理器进行了详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种桥梁加速度信号调理器，其特征在于，该桥梁加速度信号调理器包括MCU电路(1)、PoE供电电路(2)、看门狗电路(3)、RS232/485通信电路(4)、以太网通信电路(5)、“一线总线”接口电路(6)、实时时钟电路(7)、数据存储电路(8)、4通道A/D转换电路(9)、信号调理电路(10)、激励信号发生电路(11)、传感器接口电路(12)、IEEE1588同步电路(13)和PGA电路(14)；
其中，MCU电路(1)分别连接于PoE供电电路(2)、看门狗电路(3)、RS232/485通信电路(4)、以太网通信电路(5)、“一线总线”接口电路(6)、实时时钟电路(7)、数据存储电路(8)、4通道A/D转换电路(9)、激励信号发生电路(11)和IEEE1588同步电路(13)；4通道A/D转换电路(9)依次通过信号调理电路(10)和PGA电路(14)连接于传感器接口电路(12)，传感器接口电路(12)通过激励信号发生电路(11)连接于MCU电路(1)；MCU电路(1)接收4通道A/D转换电路(9)输入的采样信号，并对该采样信号进行打包处理，得到符合TCP/IP协议和标准串口协议的数据包，然后将该数据包输出给以太网通信电路(5)和RS232/485通信电路(4)，RS232/485通信电路(4)和以太网通信电路(5)分别通过通信协议使MCU电路(1)与上位机通信。
2.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述PoE供电电路(2)将以太网上的电源进行整流、滤波、调制和稳压处理，得到±12v、5v和3.3v电压，分别给MCU电路(1)、看门狗电路(3)、RS232/485通信电路(4)、以太网通信电路(5)、数据存储电路(8)、4通道A/D转换电路(9)、信号调理电路(10)、激励信号发生电路(11)、IEEE1588同步电路(13)和PGA电路(14)进行供电。
3.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述看门狗电路(3)保证系统稳定可靠的工作，当系统由于电磁干扰和软件故障发生死机时，看门狗电路(3)发出复位信号对MCU电路(1)进行复位，以保证系统正常工作。
4.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述“一线总线”接口电路(6)接收传感器接口电路(12)输入的由一线制温度传感器产生的温度信号，然后将该温度信号输出给MCU电路(1)。
5.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述实时时钟电路(7)将时间信号输出给MCU电路(1)。
6.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述数据存储电路(8)接收并存储MCU电路(1)输入的系统配置参数。
7.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述IEEE1588同步电路(13)接收以太网通信电路(5)的数据包，调整MCU电路(1)内部时间寄存器，与网络中的时钟服务器保持同步，并对以太网通信电路(5)发出的数据包加入同步时间标签。
8.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述激励信号发生电路(11)接收MCU电路(1)输入的控制信号，对该控制信号进行解析得到激励信号，然后将得到的该激励信号通过传感器接口电路(12)输出给传感器。
9.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，
所述4通道A/D转换电路(9)接收信号调理电路(10)输入的电压信号，对该电压信号进行采样保持转换，得到采样信号，然后将得到的该采样信号输出给MCU电路(1)；
所述信号调理电路(10)接收PGA电路(14)输入的电压信号，对该电压信号进行滤波处理，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给4通道A/D转换电路(9)；
所述PGA电路(14)接收传感器接口电路(12)输入的电压信号，对该电压信号进行放大或者减小，得到电压信号，然后将得到的该电压信号输出给信号调理电路(10)。
10.根据权利要求1所述的桥梁加速度信号调理器，其特征在于，所述传感器接口电路(12)接收激励信号发生电路(11)输入的激励信号，然后将得到的该激励信号输出给传感器；该传感器产生的加速度信号输出给传感器接口电路(12)，传感器接口电路(12)产生相应的电压信号并传输给信号调理电路(10)。
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