索力测量系统软件设计与实桥试验

姜建山，梁华鹏，唐光武，向中富

(1.重庆交通大学信息科学与工程学院，重庆 400074;2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

0 引言

拉索是斜拉桥主要承重构件之一，其拉力测试的准确与否直接关系到斜拉桥施工控制的顺利进行和斜拉桥建成投入使用的安全运营。目前可初步用于斜拉索的索力测量的方法主要有:油压表读数法，压力传感器法［1－2］，磁通量法［3－6］和振动频率法［7－11］等，也有部分文献简单报道了三点弯曲法的情况，其应用情况非常有限。

振动频率法是指利用附着在拉索上的精密加速度传感器，采集拉索在环境激励或人工激励下的振动信号，经过滤波、放大和频谱分析，再由频谱图确定拉索自振频率，然后根据自振频率与索力的关系确定索力。

前期部分学者对索力测量精度的研究大都集中在抗弯刚度、索长度以及线密度等边界条件上［12］。若被测对象边界条件完全确定情况下，如何准确获得拉索振动的基频，结合选用性能优异的硬件系统，并完成软件系统设计，最后提高索力测量的精度和操作方便性就显得非常关键。

本文基于振动频率法测索力的基本原理，推导出索力的实用计算公式，根据随机振动法索力测量的原理设计了基于嵌入式的索力测量系统，完成系统硬件总体方案研制和总体软件设计，重点解决频谱分析软件，键盘控制模块，上位机显示等软件模块及索力测量试验等相关问题。针对重庆大佛寺长江大桥，完成了索力测量的效果验证实验。

1 频率法测索力理论推导

在考虑如下基本假定情况下:

(1)斜拉索的垂跨比足够小，拉索只受拉，不受压;

(2)只考虑索的平面内振动，并且索的纵向振动远小于索的横向振动;

(3)索的静力初始构形为抛物线。

根据弦振动理论，在考虑抗弯刚度情况下，水平张紧索的自由振动方程如式(1)所示。

式中:x为沿索长方向的坐标;v(x，t)为t时刻拉索上各点的竖向位移;EI为索的抗弯刚度;T为拉索索力;m为拉索的线密度。

考虑当拉索两端为铰支时，由公式(1)推导可得拉索平面内振动频率和索张力之间关系可如式(2)表示:

式中:n为拉索自振频率的阶数;fn为拉索的第n阶频率;L为拉索的计算索长。

本文所研制的索力测量系统既用在索力实验又将用于实际桥梁的索力现场测量。在具体测试过程中虽然检测各阶固有振动频率难度较大，尤其是越高阶频率在频谱图中越来越不明显，但是本文研究的索力测量系统除了需选用高性能的硬件平台，还需要完成软件系统设计，并采取自动识别基频的算法最后推算出索力大小，并争取在实际中进行推广应用。

2 系统总体方案设计

系统总方案设计包括系统硬件的总体设计和软件系统总设计。

2.1 系统硬件设计

所设计的索力测量系统由微处理器单元，加速度传感模块、液晶显示模块、键盘、RAM存储单元和串行通信接口单元组成。各个部件和单元的功能描述如下:

(1)精密加速度传感器获取拉索振动的加速度信号，通过A/D转换，送往处理器做处理;

(2)外部RAM是用来存储数据的，在原有基础上进行扩展设计，以满足数据存储功能;

(3)单片机除了用来处理加速度传感器信号，并将数据输出到液晶显示器进行显示。同时，可通过通讯接口分别将时域振动信号和频域信号送往上位机;

(4)键盘控制可以通过人为输入被测量对象的相关参数和数据，以便后续计算索力;

(5)液晶显示单元既可显示键盘操作的关键状态，又可显示计算出的索力大小;

(6)计算机显示终端可显示出振动的时域信号曲线和幅频曲线，也可计算索力大小。

2.2 系统软件总体设计

整个系统软件部分包含单片机相关处理软件和上位机软件两大关键部分，其中单片机处理软件包含IIC串行总线数据采集，频谱分析软件模块，键盘控制及LCD显示模块等。其中上位机软件包含通信协议的设计，MFC界面设计和上位机软件具体实现，图1为振频率法测索力流程。

图1 振动频率法测索力流程

2.2.1 单片机软件设计

单片机程序主要由IIC串行总线模块、FFT程序模块、数据处理模块、液晶显示模块组成。

程序先将加速度传感器采集的信号通过IIC串行总线传给单片机，单片机同时将其传到上位机作为时域信号，然后单片机将加速度值作FFT后求其幅值，并将幅度值做

一些滤波处理后传给上位机用作频域信号，也可通过键盘扫描输入拉索参数，送液晶显示后计算拉索的索力大小。

2.2.2 上位机软件

上位机利用VC++6.0软件自带的通信控件Mscomm接收到单片机实时传来的时域和频域信号，之前需完成MFC界面设计和对Mscomm控件进行属性设置和事件响应函数的程序编写，然后通过插入的画图控件Teechart画出接收到的时域和频域曲线，然后软件扫描频域曲线，输入拉索参数后自动计算出索力。图2为上位机程序框图。

图2 上位机程序框图

3 系统软件详细设计

3.1 单片机相关处理软件详细设计

3.1.1 利用IIC串行总线的数据采集软件

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。IIC总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。由于接口直接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。IIC总线的另一个优点是，它支持多主机，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主机。

系统中单片机(主机)只需要从加速传感器(从机)读取数据，不需向传感器写入数据，程序的关键之处在于要根据IIC协议严格的控制时序，对时序要求很高。

3.1.2 频谱分析软件模块

频谱分析模块核心是FFT(Fast Fourier Transformation)，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变的算法进行改进获得的。

本文设计FFT程序采用的是输入倒位序、输出自然顺序。程序包括变址算法和L级递推计算两大部分，变址采用雷德倒序算法。

3.1.3 键盘控制及LCD显示

系统通过按键来对液晶的显示进行控制，主要控制参数的输入和其它一些相关的操作。图3为所设计的按键功能流程图。图4为液晶显示模块LCD1602程序流程图。

3.2 上位机软件详细设计

根据前面分析可知，上位机软件部分包含通信协议的设计，MFC界面设计和上位机软件具体实现，其中当然首先必须解决好上位机和单片机之间的通信协议问题。

3.2.1 通信协议的设计

在进行数据通信的软件设计时，必须解决好两个方面的问题:一是可靠性，二是速度。这两方面的问题，可靠性是第一位的，速度是在可靠的基础上的速度。可靠快速转输的实现，需要PC－单片机软件以及通信协议等各个环节的可靠和其间的相互配合。

3.2.2 MFC 界面设计

图3 按键功能流程图

图4 LCD1602程序流程图

上位机软件开发环境为Visual C++6.0，使用VC语言编写基于对话框的MFC应用程序，主要用到两个控件，一个是软件自带的通信控件Mscomm，另一个是认为插入的画图控件Teechart8。上位机软件的主要功能是接受从串口传来的时域和频域信号，并将其分别画成曲线，然后自动扫描频域幅值，算出基频，手动输入拉索参数后计算出索力大小。MFC设计界面如图5所示。

3.2.3 PC上位机软件具体实现

在窗口载入时，首先在初始化函数中对各个控件进行初始化，两个下拉式组合框的作用是选择串口的通信端口和通信波特率，两个TeeChart8控件分别绘出接受到的时域信号和频域信号，成为时域曲线和幅频曲线，绘图完毕后，用户可在参数设置编辑框中输入所测拉索的参数，然后点击计算索力按钮，程序自动扫描幅频曲线，根据公式计算出索力大小并输出。

串口通信时，当接收缓冲区收到每一个字符时都会使Mscomm控件产生一个串口中断，并调用函数 OnCommMscomm1()用来处理中断事件，在中段处理函数中，首先确定缓冲区有字符，然后读出缓冲区的数据，并将其转换为浮点数，然后调用Teechart控件中的AddXY()函数将接收到的数据绘成曲线。

图5 MFC设计界面

4 实桥索力测试及结果分析

4.1 测前系统自我检测

本次系统测试前，先让传感器模块做类似简谐运动，然后观察上位机画出的时域曲线是否类似于正弦波，这可用来检测系统是否连接正确和正常工作。图6为传感器作类似简谐运动时，上位机对从串口接收的数据进行绘制的时域曲线和频域曲线。从图可以看出时域曲线接近于正弦波，这说明系统连接正确，频域曲线中可明显看到有3个波峰，第一个波峰所对应的频率是一阶振动频率，即基频，第二个和第三个分别是二阶和三阶振动频率，更高阶的振动频率也存在，不过由于幅值比较小，曲线几乎没有显示。

图6 简谐运动检测结果图

4.2 测试结果

本次测试对象是重庆大佛寺长江大桥南跨桥第五、六根拉索。重庆大佛寺长江大桥南跨桥第五、六根拉索的振频法索力检测结果图分别如图7、图8所示。从幅频特性曲线可以清楚地看到有2个波峰，第一个波峰所对应的频率就是系统需要的基频，两个波峰的间距与基频基本相同，通过程序扫描可得出此基频，并根据此频率和用户输入的参数计算得出索力大小。

分析发现第五根拉索时域和频域曲线检测的曲线与第六根有些类似之处，但而第六根拉索幅频曲线并不规则。在幅频曲线中均出现了部分奇点，但这并不影响对采集的信号作FFT的结果。

图7 第五根拉索测试结果图

图8 第六根拉索测试结果图

5 结论

本文从索力测量系统的硬件设计，软件设计及试验角度出发，就索力测试的相关问题做了较深入分析，得出如下结论:

(1)根据随机振动法索力测量的原理设计了基于单片机的嵌入式索力测量系统，该系统适用性强、成本低廉、携带方便、操作简单;

(2)实验结果表明，系统可比较精确的拾取振动信号，可以获得准确的索振动基频，满足频率法测量索力方式的信号采集的主要功能。

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