专利名称：桥梁应变信号调理器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信号采集技术领域，尤其是一种具备数据同步采样、PoE以太网供电、网络传输、对外控制等功能的桥梁应变信号调理器，特 别是适用于桥梁结构动应变数据的分布式采集。
背景技术：
在桥梁结构动应变数据的采集中，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9: OO与ll: 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。实用新型内容(一) 要解决的技术问题本实用新型克服了上述缺点，提供了一种采样数据同步、精度高、数 据处理方便的桥梁应变信号调理器，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，本实用新型提供了一种桥梁应变信号调理器，该桥梁应变信号调理器包括主控制器电路l、 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、 A/D转换电路9、信号调理电路IO、桥 电路激励信号发生电路11和传感器接口电路12;其中，主控制器电路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、 A/D转换电路9、桥电路激励信号发生电 路11连接；A/D转换电路9通过信号调理电路10连接于传感器接口电路 12，传感器接口电路12通过桥电路激励信号发生电路11连接于主控制器 电路l;主控制器电路1接收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MODBUS 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主控制器电路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，分别给主控制器电路l、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、 A/D转换电路9、信号调理电路10和桥电路激励信号发生电路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 于电磁干扰发生死机时，看门狗电路3发出复位信号对主控制器电路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主 控制器电路1。上述方案中，所述实时时钟电路7将时间信号输出给主控制器电路1。 上述方案中，所述数据存储电路8接收并存储主控制器电路1输入的 系统配置参数。上述方案中，所述A/D转换电路9接收信号调理电路IO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 采样信号输出给主控制器电路1。上述方案中，所述信号调理电路IO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A/D转换电路9。上述方案中，所述桥电路激励信号发生电路11接收主控制器电路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，所述传感器接口电路12接收桥电路激励信号发生电路 ll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，本实用新型具有以下有益效果1、 本实用新型提供的这种桥梁应变信号调理器，是基于分布式工业 以太网的电测法，时间同步釆用正EE1588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、 本实用新型提供的这种桥梁应变信号调理器，计算机与桥梁应变 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 台桥梁应变信号调理器组成网络，构成若干点应变测量。3、 本实用新型提供的这种桥梁应变信号调理器，以太网精确时间同 步技术(正EE1588)能够在局域网内实现小于l(aS的时钟抖动(一般小 于0.2pS)，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、 本实用新型提供的这种桥梁应变信号调理器，PoE以太网供电技 术的优点是只使用一条电缆，为每台桥梁应变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。
图1是本实用新型提供的桥梁应变信号调理器的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。如图1所示，图1是本实用新型提供的桥梁应变信号调理器的结构示意图。该桥梁应变信号调理器包括主控制器电路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、 A/D转换电路9、信号调理 电路10、桥电路激励信号发生电路11和传感器接口电路12。其中，主控制器电路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、 A/D转换电路9、桥电路激励信号发生电 路11连接；A/D转换电路9通过信号调理电路10连接于传感器接口电路 12，传感器接口电路12通过桥电路激励信号发生电路11连接于主控制器 电路1。主控制器电路1采用支持IEEE1588协议的32位ARM CPU, CPU有 256K的FLASH和64K的SRAM，最高处理能力60MIPS。主控制器电路 1接收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MODBUS 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 议使主控制器电路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，分别给主控制器电路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、 A/D转换电路9、信号 调理电路IO和桥电路激励信号发生电路11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发 生死机时，看门狗电路3发出复位信号对主控制器电路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主控制器电路1。实时时钟电路7将时间信号输出给主控制器电路1。数据存储电路8 接收并存储主控制器电路1输入的系统配置参数。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主 控制器电路l。其中的AD采用24位的A-2AD,型号选用ADS1271，是 TI公司的一款可以最高采样到105KSPS的AD，基准采用优于10PPMM/ 摄氏度的REF192。信号调理电路IO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A/D转换电路9。桥电路激励信号发生电路11接收主控制器电路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接收桥电路激励信号发生电路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。该传感器可为电阻应变计， 其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。为了避免开关压降引起的误差，避免引线电阻的误差，桥电路激励信 号发生电路11中桥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桥电路进行驱动，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。桥电路激励信号发生电路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VOl，然后再测量反向激励下的放
大器输出V02，这样通过VOl减去V02，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温度漂移问题，需要提供4个完全一样的桥电 路，构成完全对称的桥。另外就是测量的材质要经过足够时间的老化，释 放其内部应力。
对于传感器的本身的时间漂移和非弹性形变问题要靠定期的校验解决。
本实用新型比较了 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，本实用新型的工作过程如下当桥梁应变信号调理器 以太网通信电路5接收到上位机发来的数据采集命令后主控制器电路1进 行解析，根据解析结果主控制器电路l进行相应的参数配置。主控制器电 路1控制桥电路激励信号发生电路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，该微弱信号进入信号调理电路 10，经信号调理电路10放大和滤波处理后输入到A/D转换电路9做采样 保持并转换，A/D转换结果送入主控制器电路1。主控制器电路l上电后 运行IEEE1588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。
以上对本实用新型所提供的桥梁应变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实用新型的原理及实施方式进行了阐述。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体 实施例而己，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之 内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护 范围之内。
权利要求1、一种桥梁应变信号调理器，其特征在于，该桥梁应变信号调理器包括主控制器电路(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)、A/D转换电路(9)、信号调理电路(10)、桥电路激励信号发生电路(11)和传感器接口电路(12)；其中，主控制器电路(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)、A/D转换电路(9)、桥电路激励信号发生电路(11)连接；A/D转换电路(9)通过信号调理电路(10)连接于传感器接口电路(12)，传感器接口电路(12)通过桥电路激励信号发生电路(11)连接于主控制器电路(1)；主控制器电路(1)接收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MODBUS 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主控制器电路(1)与上位机通信。
2、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，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，分别给主控制器电路(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)、 A/D 转换电路(9)、信号调理电路(10)和桥电路激励信号发生电路(11)进 行供电。
3、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，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发生死 机时，看门狗电路(3)发出复位信号对主控制器电路(1)进行复位，以 保证系统正常工作。
4、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，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主控制器电路(l)。
5、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 实时时钟电路(7)将时间信号输出给主控制器电路(1)。
6、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 数据存储电路(8)接收并存储主控制器电路(1)输入的系统配置参数。
7、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 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 主控制器电路(1)。
8、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 信号调理电路(10)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A/D转换电路(9)。
9、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 桥电路激励信号发生电路(11)接收主控制器电路(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。
10、 根据权利要求1所述的桥梁应变信号调理器，其特征在于，所述 传感器接口电路(12)接收桥电路激励信号发生电路(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)。
专利摘要本实用新型公开了一种桥梁应变信号调理器，其特征在于，该桥梁应变信号调理器包括主控制器电路、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、实时时钟电路、数据存储电路、A/D转换电路、信号调理电路、桥电路激励信号发生电路和传感器接口电路。本实用新型简化了对电缆的管理，降低了人力和电源线的成本。
文档编号G01B7/16GK201364137SQ20082023364
公开日2009年12月16日 申请日期2008年12月24日 优先权日2008年12月24日
发明者冯良平, 刘志强, 刘芳亮, 冰 崔, 徐国平, 娜 李 申请人:中交公路规划设计院有限公司