基于DTU的加速度强振动记录终端的设计*

吴林斌 陈志高 关伟智 吕 瀚 李家明 吴雄伟

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

基于DTU的加速度强振动记录终端的设计*

吴林斌 陈志高 关伟智 吕 瀚 李家明 吴雄伟

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

设计基于DTU的强振记录终端，采用SOC系列C8051F015型单片机对MEMS加速度计的输出信号进行A/D转换，监测待测体所经受的强振加速度值，并通过DTU内嵌的GPRS无线网络通讯方式将数据发送到远程数据中心。该系统具有体积小，安装与操作方便，免维护等特性。

DTU(Data Transfer unit);GPRS(General Packet Radio Service);强振动;数据采集;滤波

1 引言

低频强振动源会对临近的建筑体产生较大的影响，高层建筑物或桥梁都明确规定了抗振动要求，一旦超过建筑体抗振要求，将可能会导致建筑体结构变形甚至断裂，降低建筑体的使用寿命［1］，因此，有必要实时监测建筑体所经受的振动强度，消除安全隐患。

目前，高层建筑物或桥梁主要采用形变监测法或加速度强振仪来检测振动强度。形变监测法需要在建筑体内部布置形变传感器，一般需要在建筑物施工初期进行布点，施工要求较高［2］;而加速度传感器可直接测量楼层受力支撑点的加速度峰值，这种测量方式仪器布点安装方便，同时后期数据处理方便，可经过多次积分获得振动速度和位移数据，但普通的加速度强振仪组网时需要布设较长的信号电缆，对电缆的强度要求很高，施工复杂，成本较高。

本文设计一种基于DTU的加速度强振动记录终端，通过MEMS加速度传感器，实时监测被测物体的振动情况，由内嵌GPRS无线网络直接将监测数据传输到远程数据监控中心，不需要铺设数据信号传输电缆，简化了设备安装方式，组网十分方便。

2 系统硬件设计

2.1 系统结构

加速度强振动记录终端主要由微机械加速度传感器、A/D数据转换模块、数据处理与存储模块、通讯模块以及数据显示模块和电源模块等组件组成。通过MEMS加速度传感器将待测点的强振动信号转换为电压信号，经过A/D转换后传输到单片机进行数据处理、存储和发送到数据处理中心。系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of the system

2.2 DTU模块设计

DTU模块专用于将串口数据转换为IP数据发送到网络服务器，同时将网络服务器传送过来的IP数据转化为串口数据，应具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能［4］。

本系统采用MC35通信模块实现GPRS拨号上网，通过ARM芯片SC34510B集成PPP协议与互联网对接，同时控制MC35芯片实现无线数据收发，DTU模块结构图如图2所示。

图2 DTU结构框图Fig.2 DTU block diagram

为了保证模块的稳定性，ARM模块采用三星公司裁剪版Linux系统实现无线数据收发与控制，当数据由串口发送给DTU模块时，DTU模块内部的数据处理单元将读取串口缓存，对数据进行TCP/IP协议封装，并启动内嵌的GPRS无线网络模块，将数据发送至对应INTERNET网络IP地址。

2.3 数据采集与处理单元

建筑体固有频率一般在30 Hz以内［4］，若施加在建筑体上的振动频率较高，将会很快衰减，因此，应选用较低频的加速度拾振器来完成加速度的探测。本设计选用HAAM-326型MEMS加速度计，其量程为±2G，响应频带为0.1～200 Hz。HAAM-326型加速度计可以将振动加速度值直接转化为电压信号输出，输出电压值范围为0.5～1.5 V，该加速度计采用微集成电子机械技术，将水平与垂直3个方向的加速度传感器集成在3 mm×3 mm×1 mm的空间内，能同时检测3个正交方向上的振动信号，便于集成安装［5，6］。

数据处理单元模块采用51系列C8051F015型单片机作为主芯片进行数据采集处理，其内部集成了34k程序存储空间和2k数据存储空间以及A/D转换模块，功耗较低，系统运行时钟可达24 MHz。为了防止无线数据传输中断，在数据采集处理外扩展一片静态存储器62256，未及时发送的加速度数据将暂存在外部存储器中。

为了记录振动事件发生的事件，在硬件中配置了SD2405AP型时钟日历芯片，该芯片是一种内置晶振、带充电电池、具有标准IIC接口的实时时钟芯片，当记录到振动事件时，同时获取时间发生的时刻。

3 数据采集与处理

由于需要监测的振动频率较低，有效信号的频率在30 Hz以下，根据奈奎斯特定理，采样频率在60 Hz以上即可满足要求，本系统采样频率取150 Hz以上，可完整的采样有效信号。由C8051F015控制芯片内部定时器TIME3，精确定时启动内置A/D模块以中断方式进行数据采集，使得A/D转换模块对加速度传感器3个通道进行轮换采样，再使用中值滤波法进行一次中值滤波，得出最终的有效数据。因此，最终采样率可按照以式(1)进行计算：其中N为中值滤波数，fs为A/D模块采样频率，Δt为程序运算时间误差，由于数据处理单元运算很快，可以忽略该时间误差。

通过定时器设定A/D以38.4k的采样率进行采样，每64个点进行一次中值滤波［7］，代入式(1)可计算出采样频率为200 Hz。

采样完成后的数据直接存储在系统数据存储区域，并实时与振动事件触发阈值进行比较，若大于触发阈值，将触发一次振动记录事件。由于数据量较大，数据时间间隔较短(5 ms)，如果同步读取时钟芯片获取每个数据点的时间，将会出现较大的时间误差，因此，每个数据点采样时，对应的时间点不可能一一读取，根据设定的数据采样频率，振动事件的任一数据对应的时间标记可按照式(2)进行计算：

其中，h0、m0与s0为触发振动事件时从日历芯片中读取的真实时间。

当采样数据回落到阈值以下，则判断振动事件结束。为了完整记录一次振动事件，在单片机内部数据存储区域建立一个FIFO队列存储区域，实时将数据发送到DTU模块传送到远程数据中心。

4 系统实验测试结果

系统调试完成后，对设备进行了振动模拟测试。通过单轴激振器产生0.2 g、5 Hz的振动信号施加到本设备上，数据通过无线网络传输后，在计算机终端收到了连续的数据，图3为数据波形，从图3中可以看出，数据采集很完整，且较好地响应了输入震动信号。

图3 测试数据Fig.3 Test result

5 结语

以MEMS加速度计为基础、SCO型单片机为核心、GPIO UTD模块为数据传送方式的强振记录终端简化了传统强振监测的安装与布网方式。该装置大型基础设施、桥梁监视、工程测振、地质勘探等的振动测试与分析等领域具有较好的应用前景。

1 吴晓波.振动与冲击对建筑物影响的鉴定方法及工程应用［J］.福建建设科技，2010，1：38-40.

2 陈志高.核岛变形观测技术研究［J］.大地测量与地球动力学，2007，(专)：101-103.

3 陈凤美.基于GPRS短信模块的远程数据控制系统［J］.数字通讯世界，2010，7：64-66.

4 冯牧.列车引发建筑物振动试验及数值隔振研究［J］.噪声与振动控制，2009，5：80-84.

5 张海涛，阎贵平.MEMS加速度传感器的原理及分析［J］.电子工艺技术，2003，24(6)：260-263.

6 刘凤丽.一种电容式微加速度计的系统设计与温度影响分析［J］.沈阳理工大学学报，2009，28(3)：79-82.

7 高克芳，郭建钢.一种基于噪声点检测的自适应中值滤波方法［J］.福建农林大学学报(自然科学版)，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

国家自然科学基金(40774025);中国地震局地震研究所所长基金(6042)

吴林斌，男，1983年生，硕士，工程师，从事地震仪器仪表的研究.E-mail：excellent_168@163.com

TH762.2

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