基于压电阵列的结构状态探测模块软件开发

崔红梅，刘修军，鲁 军，林稳章

（重庆电讯职业学院，重庆 402247）

结构健康监测技术是对结构损伤的正确定位和辨识，结构状态损伤的图像表征方法由于能直观地给出损伤的范围、细节及位置等特征，是较为理想的损伤表征方法[1-2]。但由于受设备、传感器数量、处理速度等条件限制，普通损伤图像检测技术很难实现对结构损伤的定位和显示。因此，如何利用有限的传感器和监测设备实现对结构损伤的在线监测、定位和图像辨识，是结构健康监测研究中一个热点，也是当前研究的难点之一[3-4]。压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的压电效应，使压电传感器应用在结构状态探测的优越性也开始日益突出[5]。

基于压电阵列的结构状态探测模块系统完成结构状态数据采集、数据处理及数据通信，能够实时监测巡检人员难以达到的部位，使结构健康状态数据输送到中心数据库中，实现对结构的实时在线自动监测[6]。本文在压电阵列的结构状态探测模块的设计基础上，进行软件开发。

1 基于压电阵列的结构状态探测模块设计

基于压电阵列的结构状态探测模块的性能好坏主要受数据检测部分和数据处理部分两方面误差的影响，因此，对该模块的设计主要是对它的数据检测模块和数据处理模块分析并设计。监测时，每个压电传感器上都将检测到其附着部位的机械振动，根据压电效应可知，压电片上将产生成正比的电信号；每个压电片都成为一个数据通道，连接在选通电路中；在单片机的控制下，译码电路产生不同的地址，选通即将显示的结构部位的压电片所在通道；通过A/D转换电路将压电片转化的模拟信号转换成数字信号；当通道选择进行到第64路通道时，单片机再控制串口通信电路，将检测到的64个数字信号在PC机上显示出来。探测无限循环进行，以便及时发现出现异常的信号，并对应地探测信号所在部位，及时评估被检测结构的健康状况，进行决策。

2 软件设计分析

软件部分的设计是通过单片机内部的程序实现，作为整个结构状态探测模块的关键，主要功能有：选择选通电路中的压电信号、控制数模转换芯片中的数据转换、用上位机程序控制串口通信，最终实现对串口接收数据（中断）和发送数据的控制。为使系统能够在线实时监控结构状态，设计出的基于压电阵列的结构状态探测模块将在程序控制下进行无限循环的检测。流程如图1所示。

图1 软件设计流程

3 单片机控制原理

微处理器是数据处理模块的“心脏”，在整个结构状态探测模块中控制着各个部协调、有序地工作。首先，微处理器要控制译码电路工作，获得选通电路的地址数据，对所对应的CD4067进行寻址；然后控制A/D转换电路将采集的模拟电信号转换为数字信号；最后，微处理器通过芯片MAX232进行串口通信，并通过循环检测控制，将处理后的数据显示码输出到电脑（PC）的串口通信软件中进行显示。在keil C环境下开发软件，在模拟调试程序后，须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。

4 程序分析

4.1 主程序

该主程序通过调用串口初始化程序，实现串口程序的初始化，然后初始化ADC0809控制端口，调用ADC0809采样程序实现数据采样，然后控制串口实现数据上传，并通过循环形式不断重复采样和上传过程。

4.2 串口初始化程序设计

本程序使用定时/计数器T2作为波特率发生器，波特率为1 200 bit/s，晶振频率为11.059 2 MHz，串行口工作于方式1，功能程序如下：

4.3 串口发送程序

4.4 传送数据的延时程序

设计延时1 ms的延时程序，作为采集每个通道的电信号的时间间隔。在循环调用后，使数据有足够的时间进行模数转换而不引起数据冲突。

设计延时500 ms的延时程序，作为检测进入第64通道，发送数据的延时，即每次串口输出数据的延时时间为0.5 s。

设计自定义延时N ms（N为任意整数）的延时程序，延时时间长短可由不同的x值确定，在软件调用中的作用是：AD0809内部清零时数据要重新进行转换，自定义大于数据采集时间的延时，以便保证所有转换的数据都已发送。

4.5 读取ADC0809中数据的程序

对于读取ADC0809中数据的程序，通过ADC0809内部的波特图进行分析，用单片机控制AD0809实现一个采样周期的采样。

5 系统测试及结果

在完成对基于压电阵列的结构状态探测模块的设计之后，进行软件程序编写，模仿普通的结构状态探测模块检测的实验对制作的电路板进行了测试。

串口每相隔224 s接收到一次64通道采样数据。数据通道显示窗口中显示的是每个压电通道经过数据处理模块后转换相对应的数据，以及每个通道在检测到不同数值时的色彩变化，输出的数据及示波器检测到的信号分别如图2所示。

图2 64路数据通道显示上显示检测的压电信号及与示波器对比

6 结语

本文详细地介绍了基于压电阵列的结构状态探测模块的软件开发过程。系统采用压电片阵列传感器采集数据，应用单片机程序进行A/D转换，使被测结构上发生的刚性变化转换为电信号。多路选通电路实现压电信号的异步接入，然后通过信号采集、处理电路对压电信号进行采集，最终送入电脑串口，在电脑显示屏上通过颜色的变化显示采样数据的特性，从而确定结构表面各区域结构状态，实现基于压电阵列的结构状态探测。