振动环境下建筑工程抗震性检测系统的设计与实现
张敏 李峰
摘 要： 针对建筑工程抗震性检测系统输出误差较大，功耗高的问题，设计了一种振动环境下的建筑工程抗震性检测系统。该检测系统包括振动信号传感器模块、基线恢复模块、振动数据的时钟采样模块、A/D模块和程序加载模块，对各功能模块进行电路设计，实现振动检测系统的集成设计和软件开发，并应用到工程实践中。分析结果表明，该检测系统对建筑工程的振动数据采样与检测的实时性较好，具有较高的精度，有效指导了建筑工程的抗震设计。
关键词： 振动环境； 建筑工程； 抗震设计； 检测系统； DSP
中图分类号： TN710?34； TP181 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0106?04
Design and implementation of building engineering anti?seismic detection
system under vibration environment
ZHANG Min1， 2， LI Feng2
（1. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；
2. Department of Architecture and Civil Engineering， Yibin Vocational and Technical College， Yibin 644000， China）
Abstract： Since the building engineering anti?seismic detection system has big output error and high power consumption， a building engineering anti?seismic detection system under vibration environment was designed. The detection system includes the vibration signal sensor module， baseline recovery module， clock sampling module of the vibration data， A/D module and program load module. The circuit of each function module was designed. The integrated design and software development of the detection system were realized， and applied to the engineering practice. The analysis results show that the detection system has good real?time performance for the vibration data sampling and detection of the building engineering， and high accuracy， which can guide the anti?seismic design of the building engineering effectively.
Keywords： vibration environment； building engineering； anti?seismic design； detection system； DSP
0 引 言
建筑工程的抗震性检测是保障建筑设计和建筑施工有效开展的基础性工作，在振动环境下构建建筑工程抗震性检测系统，采用振动传感器进行振动信号采集，指导建筑工程的抗震性设计和检验[1]。
建筑工程的抗震性检测采用振动传感器结合数字信号处理芯片进行振动信号分析[2]，传统的建筑工程抗震性检测系统采用的是可编程逻辑PLC设计方法，采用RFID射频读写进行振动监测，实现在振动环境下的建筑工程抗震性检测和数据信息分析[3]，但是传统的抗震性检测系统不能实现多道抗震防线振动性检测，输出误差较大，抗振动调谐性能不好，受到的振动干扰较大使检测准确性降低[4]。
针对当前建筑工程抗震性检测系统存在的弊端，构建了一种新型建筑工程抗震性检测系统，并在Visual DSP++ 4.5环境下进行抗震性检测系统的性能测试。
1 系统总体设计
1.1 建筑工程抗震性检测系统总体设计
建筑工程抗震性检测系统包括硬件系统和软件系统两部分，总体结构模型如图1所示。
在建筑工程抗震性检测系统中，系统的功耗主要来自静态功耗[Pspc]和动态功耗[Pdpc，]即：
[Pspc=VddIdd] （1）
[Pdpc=VddITC+αCTfpV2dd] （2）
式中：[Vdd]表示不同加载机制下系统的额定电压值；[Idd]表示異步串行电流值；[ITC]表示全双工同步串行脉冲电流的均值；[CT]表示建筑工程抗震性检测系统的负载电容；[fp]表示系统的外部DMA频率；[α]表示D/A转换器AD554的功率损耗。
建筑工程抗震性检测系统的静态功耗[Pspc]由[Vdd]和[Idd]决定，选择空闲功耗较低的处理器和芯片，实现检测系统的低电压启动[5]。根据式（2）得知，系统的动态功耗与[ITC，CT]和[fp]相关，由于[Pspc]仅占总功耗的1%左右，因此，系统的主要功耗为[Pdpc。]
1.2 外围器件选择及技术指标分析
建筑工程抗震性检测系统的技术指标为：
（1） 输出振动信号幅度<2 dB，I/O设备进行振动传感信息数据采集的信噪比为12 dB。
（2） 选用具有双16位MAC进行同步双工振动信号通信；检测系统具有低功耗特点，整体功耗<20 W。
（3） 抗震性检测系统的串行D/A转换分辨率不低于8位，建筑工程抗震性检测精度不低于98%。
（4） 检测系统抗干扰强度>10 dB，内部时钟振荡不低于8位；
（5） 采用8个32位定时器/计数器进行振动频率测试技术；
（6） A/D芯片的采样时钟具有基线恢复和漂移抑制功能。
根据上述设计的技术指标，振动环境下建筑工程抗震性检测系统的外围器件选用ADI公司的A/D和D/A转换器，A/D选择ADI公司的高速A/D芯片AD9225，D/A芯片选用ADI的串行D/A转换器AD5545，采样频率为13 MHz，建立时间为2 μs，采用有源晶振电路作为时钟电路，如图2所示。
振动传感器接收的信号通过模拟信号预处理放大、滤波后，作为DSP输入数据进行振动幅值检测，对振动信号的有效性检测、频谱分析[6]在D/A转换器进行数/模转换，在晶振每一个电源引脚处放一个10～100 μF的钽电容，在靠近时钟输出引脚的地方串接10～50 Ω电阻，提高建筑工程抗震性检测时钟的波形质量。
2 系统设计与实现
2.1 系统的负载功率分析及硬件布局
在建筑工程抗震性检测系统的传感器模块中，振动传感器的电导[G=1RL，]振动传感器基阵通过动态增益控制码转化为电信号，产生的导纳为[B=jωC，]继电器的开关控制状态系数[BL=-j1ωL，]传感基阵阻抗匹配滤波的激励电压的有效相角描述为[7]：
[φ0=tan-1BG] （3）
[φX=tan-1ZXR′L=tan-1[ZL?G?（1+tan2φ0）-tanφ0]] （4）
通过功率放大器调制输出的振动信号，选用不同的稳压块进行基线恢复[8]，得到检测系统的负载功率为：
[PL=V20?GX=V20?G×1+tan2φ01+tan2φX] （5）
设计LC滤波电路来逐级滤波[9]，振动传感器的负载仅为[G，]有：
[PL=V20?G] （6）
建筑工程抗震性检测系统的输出功率为：
[PLmax=V2L?GXmax] （7）
通过上述设计，建筑工程抗震性检测系统输出振动能量谱密度信号放大后的指向性增益匹配函数为：
[η=10PL-WL-DI-170.710] （8）
在建筑工程抗震性检测系统工作中心频率[f0]处，使输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配[10]，根据上述设计原理，得到振动环境下的建筑工程抗震性检测系统布局框图如图3所示。
2.2 系统的模块化电路设计
（1） 传感器模块。采用振动传感器进行数据采集与信息处理，数据采集与处理是整个系统设计的关键，考虑到系统自激和噪声干扰问题，传感器模块采用三级放大器进行逐级放大，采用模数转换器（ADC）进行A/D采样，由DSP控制SEL1电平，振动传感器的放大分贝数由它的控制电压决定，传感器模块的电路设计如图4所示。
（2） 基线恢复模块。通过对基线恢复模块的设计，有效滤除了建筑工程抗震性检测系统接收信号中的杂波干扰，采用电容进行交流耦合，采用自缓冲基线恢复器提高系统的实际分辨率。设计时考虑到输入的建筑工程检测振动信号幅值较低，处于低频情况时，将D0～D12与DSP的PPI接口相连，设置PPI的操作模式，实现建筑工程抗震性检测系统输出1.15～5.5 V电平的自由转换，基线恢复模块设计电路如图5所示。
（3） A/D模块。采用DSP信号采集振动性原始信号，通过A/D模块进行数模转换，检测系统的外部I/O设备包括A/D转换器AD7864，硬件设计时AD7864的输出通道数设置为VIN1A～VIN4A接信号输入，VIN1B～ VIN4B接地。[H/S]接高电平，采用±10 V的双极性输入，触发DSP中断引脚[INT0，]在A/D中断设计中，由软件控制采样通道，系统的A/D接口设计如图6所示。
（4） 程序加载模块。先对SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口发送控制寄存器）写0H选择非SPI时钟停止模式。在程序加载模块中，模拟电源和模拟地间添加10 μF和0.1 μF的去耦电容以去除高频噪声。经过一级反向的2倍放大，采用ADSP?BF537程序加载电路，使得振动检测的输出互为备份，外部接口片选信号和控制信号在CPLD上利用汇编指令PORTW，PORTR产生对外部I/O的控制指令，设计RS触发器选择信号电平，由此提高检测精度，得到系统的程序加载模块电路设计如图7所示。
3 系统调试与实验分析
振动环境下建筑工程抗震性检测系统的调试建立在Visual DSP++ 4.5开发平台上，调试平台分为集成的开发环境和调试器两大部分，配置PCR（串口控制引脚寄存器）的FSXM=1进行检测程序的写入，对振动传感器采集的振动信号进行离散采样，设置发送和接收控制寄存器（RCR[1，2]和XCR[1，2]），波特率和同步信號设定为[XRST，][RRST，][FRST]=1，选用32位标准C编译和ANSIC码库集成在一个交互式开发平台中，进行建筑工程抗震性测试和振动信号检测。实验过程中，首先运用WIN32 API函数CreateFile（）打开PCI设备，DSP从右端口相应地址读取数据，启动DMA传输振动数据，然后进行系统的初始化，包括DMA模式寄存器、源地址寄存器、目标地址寄存器的初始化，数字信号处理芯片DSP在软件上对振动信号进行带通补偿，由此进行振动信号采集和抗震性检测，得到振动信号的输入信号波形和频谱如图8所示。
对信号作FFT，采用本文设计的抗震性检测系统进行振动数据分析和特征采样，检测到的振动信号波形和输出频谱如图9所示。
比较图8和图9这两幅图对应的幅频值可知，本文设计的系统具有较好的频谱响应，宽带信号输出幅度一致，说明能准确、实时地检测到振动信号，在建筑工程抗震性检测中具有预测预报作用。
4 结 语
为了提高建筑的抗震强度，需要在建筑设计和施工中进行抗震性检测，建筑工程的抗震性检测是保障建筑施工有效展开的基础性工作，采用振动传感器进行振动信号采集，指导建筑工程的抗震性设计和检验，本文设计了一种振动环境下的建筑工程抗震性检测系统，调试实验结果表明，该检测系统对建筑工程的振动数据采样和检测的实时性较高，精度较传统方法明显提高，具有较好的工程应用价值。
参考文献
[1] 陈超波，沈辰，高嵩.公路超载车辆动态预检系统的研究[J].国外电子测量技术，2014（12）：49?52.
[2] 石鑫，周勇，胡光波.基于信号峰脊陡变调制的雷达测距算法[J].物联网技术，2015，5（4）：12?14.
[3] 程桂芳，丁志帅，慕小武.自治非光滑时滞系统的有限时间稳定[J].应用数学学报，2013，36（1）：14?21.
[4] 陆许明，戴建强，谭洪舟.高效的多径衰落信道系及其硬件实现[J].系统仿真学报，2014，26（1）：197?201.
[5] 王炯滔，金明，李有明，等.基于Friedman检验的非参数协作频谱感知方法[J].电子与信息学报，2014，36（1）：61?66.
[6] 于笃发，邵建华，聂梦雅，等.基于动态阈值的可信度加权协作频谱感知[J].计算机应用研究，2014，31（2）：511?514.
[7] 倪红霞，范志浩.混沌系统的耦合规律研究[J].科技通报，2010，26（5）：737?742.
[8] 万明，张凤鸣，胡双.基于多步长梯度特征的红外弱小目标检测算法[J].光学学报，2011，31（10）：1001?1006.
[9] 荣少魏，李斌，李昊.基于ARM9的直线电机潜油机无杆泵监测系统研究[J].国外电子测量技术，2011，30（3）：60?63.
[10] 陈国培，艾武，张静波，等.基于FPGA的ARM与绝对式编码器的通信接口实现[J].微电机，2012，45（8）：28?31.
[11] 靳晓艳，周希元，张琬琳.多径衰落信道中基于自适应MCMC的调制识别[J].北京邮电大学学报，2014，37（1）：31?34.
摘 要： 针对建筑工程抗震性检测系统输出误差较大，功耗高的问题，设计了一种振动环境下的建筑工程抗震性检测系统。该检测系统包括振动信号传感器模块、基线恢复模块、振动数据的时钟采样模块、A/D模块和程序加载模块，对各功能模块进行电路设计，实现振动检测系统的集成设计和软件开发，并应用到工程实践中。分析结果表明，该检测系统对建筑工程的振动数据采样与检测的实时性较好，具有较高的精度，有效指导了建筑工程的抗震设计。
关键词： 振动环境； 建筑工程； 抗震设计； 检测系统； DSP
中图分类号： TN710?34； TP181 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0106?04
Design and implementation of building engineering anti?seismic detection
system under vibration environment
ZHANG Min1， 2， LI Feng2
（1. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China；
2. Department of Architecture and Civil Engineering， Yibin Vocational and Technical College， Yibin 644000， China）
Abstract： Since the building engineering anti?seismic detection system has big output error and high power consumption， a building engineering anti?seismic detection system under vibration environment was designed. The detection system includes the vibration signal sensor module， baseline recovery module， clock sampling module of the vibration data， A/D module and program load module. The circuit of each function module was designed. The integrated design and software development of the detection system were realized， and applied to the engineering practice. The analysis results show that the detection system has good real?time performance for the vibration data sampling and detection of the building engineering， and high accuracy， which can guide the anti?seismic design of the building engineering effectively.
Keywords： vibration environment； building engineering； anti?seismic design； detection system； DSP
0 引 言
建筑工程的抗震性检测是保障建筑设计和建筑施工有效开展的基础性工作，在振动环境下构建建筑工程抗震性检测系统，采用振动传感器进行振动信号采集，指导建筑工程的抗震性设计和检验[1]。
建筑工程的抗震性检测采用振动传感器结合数字信号处理芯片进行振动信号分析[2]，传统的建筑工程抗震性检测系统采用的是可编程逻辑PLC设计方法，采用RFID射频读写进行振动监测，实现在振动环境下的建筑工程抗震性检测和数据信息分析[3]，但是传统的抗震性检测系统不能实现多道抗震防线振动性检测，输出误差较大，抗振动调谐性能不好，受到的振动干扰较大使检测准确性降低[4]。
针对当前建筑工程抗震性检测系统存在的弊端，构建了一种新型建筑工程抗震性检测系统，并在Visual DSP++ 4.5环境下进行抗震性检测系统的性能测试。
1 系统总体设计
1.1 建筑工程抗震性检测系统总体设计
建筑工程抗震性检测系统包括硬件系统和软件系统两部分，总体结构模型如图1所示。
在建筑工程抗震性检测系统中，系统的功耗主要来自静态功耗[Pspc]和动态功耗[Pdpc，]即：
[Pspc=VddIdd] （1）
[Pdpc=VddITC+αCTfpV2dd] （2）
式中：[Vdd]表示不同加载机制下系统的额定电压值；[Idd]表示異步串行电流值；[ITC]表示全双工同步串行脉冲电流的均值；[CT]表示建筑工程抗震性检测系统的负载电容；[fp]表示系统的外部DMA频率；[α]表示D/A转换器AD554的功率损耗。
建筑工程抗震性检测系统的静态功耗[Pspc]由[Vdd]和[Idd]决定，选择空闲功耗较低的处理器和芯片，实现检测系统的低电压启动[5]。根据式（2）得知，系统的动态功耗与[ITC，CT]和[fp]相关，由于[Pspc]仅占总功耗的1%左右，因此，系统的主要功耗为[Pdpc。]
1.2 外围器件选择及技术指标分析
建筑工程抗震性检测系统的技术指标为：
（1） 输出振动信号幅度<2 dB，I/O设备进行振动传感信息数据采集的信噪比为12 dB。
（2） 选用具有双16位MAC进行同步双工振动信号通信；检测系统具有低功耗特点，整体功耗<20 W。
（3） 抗震性检测系统的串行D/A转换分辨率不低于8位，建筑工程抗震性检测精度不低于98%。
（4） 检测系统抗干扰强度>10 dB，内部时钟振荡不低于8位；
（5） 采用8个32位定时器/计数器进行振动频率测试技术；
（6） A/D芯片的采样时钟具有基线恢复和漂移抑制功能。
根据上述设计的技术指标，振动环境下建筑工程抗震性检测系统的外围器件选用ADI公司的A/D和D/A转换器，A/D选择ADI公司的高速A/D芯片AD9225，D/A芯片选用ADI的串行D/A转换器AD5545，采样频率为13 MHz，建立时间为2 μs，采用有源晶振电路作为时钟电路，如图2所示。
振动传感器接收的信号通过模拟信号预处理放大、滤波后，作为DSP输入数据进行振动幅值检测，对振动信号的有效性检测、频谱分析[6]在D/A转换器进行数/模转换，在晶振每一个电源引脚处放一个10～100 μF的钽电容，在靠近时钟输出引脚的地方串接10～50 Ω电阻，提高建筑工程抗震性检测时钟的波形质量。
2 系统设计与实现
2.1 系统的负载功率分析及硬件布局
在建筑工程抗震性检测系统的传感器模块中，振动传感器的电导[G=1RL，]振动传感器基阵通过动态增益控制码转化为电信号，产生的导纳为[B=jωC，]继电器的开关控制状态系数[BL=-j1ωL，]传感基阵阻抗匹配滤波的激励电压的有效相角描述为[7]：
[φ0=tan-1BG] （3）
[φX=tan-1ZXR′L=tan-1[ZL?G?（1+tan2φ0）-tanφ0]] （4）
通过功率放大器调制输出的振动信号，选用不同的稳压块进行基线恢复[8]，得到检测系统的负载功率为：
[PL=V20?GX=V20?G×1+tan2φ01+tan2φX] （5）
设计LC滤波电路来逐级滤波[9]，振动传感器的负载仅为[G，]有：
[PL=V20?G] （6）
建筑工程抗震性检测系统的输出功率为：
[PLmax=V2L?GXmax] （7）
通过上述设计，建筑工程抗震性检测系统输出振动能量谱密度信号放大后的指向性增益匹配函数为：
[η=10PL-WL-DI-170.710] （8）
在建筑工程抗震性检测系统工作中心频率[f0]处，使输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配[10]，根据上述设计原理，得到振动环境下的建筑工程抗震性检测系统布局框图如图3所示。
2.2 系统的模块化电路设计
（1） 传感器模块。采用振动传感器进行数据采集与信息处理，数据采集与处理是整个系统设计的关键，考虑到系统自激和噪声干扰问题，传感器模块采用三级放大器进行逐级放大，采用模数转换器（ADC）进行A/D采样，由DSP控制SEL1电平，振动传感器的放大分贝数由它的控制电压决定，传感器模块的电路设计如图4所示。
（2） 基线恢复模块。通过对基线恢复模块的设计，有效滤除了建筑工程抗震性检测系统接收信号中的杂波干扰，采用电容进行交流耦合，采用自缓冲基线恢复器提高系统的实际分辨率。设计时考虑到输入的建筑工程检测振动信号幅值较低，处于低频情况时，将D0～D12与DSP的PPI接口相连，设置PPI的操作模式，实现建筑工程抗震性检测系统输出1.15～5.5 V电平的自由转换，基线恢复模块设计电路如图5所示。
（3） A/D模块。采用DSP信号采集振动性原始信号，通过A/D模块进行数模转换，检测系统的外部I/O设备包括A/D转换器AD7864，硬件设计时AD7864的输出通道数设置为VIN1A～VIN4A接信号输入，VIN1B～ VIN4B接地。[H/S]接高电平，采用±10 V的双极性输入，触发DSP中断引脚[INT0，]在A/D中断设计中，由软件控制采样通道，系统的A/D接口设计如图6所示。
（4） 程序加载模块。先对SPCR1（串口接收控制寄存器）和SPCR2（串口发送控制寄存器）写0H选择非SPI时钟停止模式。在程序加载模块中，模拟电源和模拟地间添加10 μF和0.1 μF的去耦电容以去除高频噪声。经过一级反向的2倍放大，采用ADSP?BF537程序加载电路，使得振动检测的输出互为备份，外部接口片选信号和控制信号在CPLD上利用汇编指令PORTW，PORTR产生对外部I/O的控制指令，设计RS触发器选择信号电平，由此提高检测精度，得到系统的程序加载模块电路设计如图7所示。
3 系统调试与实验分析
振动环境下建筑工程抗震性检测系统的调试建立在Visual DSP++ 4.5开发平台上，调试平台分为集成的开发环境和调试器两大部分，配置PCR（串口控制引脚寄存器）的FSXM=1进行检测程序的写入，对振动传感器采集的振动信号进行离散采样，设置发送和接收控制寄存器（RCR[1，2]和XCR[1，2]），波特率和同步信號设定为[XRST，][RRST，][FRST]=1，选用32位标准C编译和ANSIC码库集成在一个交互式开发平台中，进行建筑工程抗震性测试和振动信号检测。实验过程中，首先运用WIN32 API函数CreateFile（）打开PCI设备，DSP从右端口相应地址读取数据，启动DMA传输振动数据，然后进行系统的初始化，包括DMA模式寄存器、源地址寄存器、目标地址寄存器的初始化，数字信号处理芯片DSP在软件上对振动信号进行带通补偿，由此进行振动信号采集和抗震性检测，得到振动信号的输入信号波形和频谱如图8所示。
对信号作FFT，采用本文设计的抗震性检测系统进行振动数据分析和特征采样，检测到的振动信号波形和输出频谱如图9所示。
比较图8和图9这两幅图对应的幅频值可知，本文设计的系统具有较好的频谱响应，宽带信号输出幅度一致，说明能准确、实时地检测到振动信号，在建筑工程抗震性检测中具有预测预报作用。
4 结 语
为了提高建筑的抗震强度，需要在建筑设计和施工中进行抗震性检测，建筑工程的抗震性检测是保障建筑施工有效展开的基础性工作，采用振动传感器进行振动信号采集，指导建筑工程的抗震性设计和检验，本文设计了一种振动环境下的建筑工程抗震性检测系统，调试实验结果表明，该检测系统对建筑工程的振动数据采样和检测的实时性较高，精度较传统方法明显提高，具有较好的工程应用价值。
参考文献
[1] 陈超波，沈辰，高嵩.公路超载车辆动态预检系统的研究[J].国外电子测量技术，2014（12）：49?52.
[2] 石鑫，周勇，胡光波.基于信号峰脊陡变调制的雷达测距算法[J].物联网技术，2015，5（4）：12?14.
[3] 程桂芳，丁志帅，慕小武.自治非光滑时滞系统的有限时间稳定[J].应用数学学报，2013，36（1）：14?21.
[4] 陆许明，戴建强，谭洪舟.高效的多径衰落信道系及其硬件实现[J].系统仿真学报，2014，26（1）：197?201.
[5] 王炯滔，金明，李有明，等.基于Friedman检验的非参数协作频谱感知方法[J].电子与信息学报，2014，36（1）：61?66.
[6] 于笃发，邵建华，聂梦雅，等.基于动态阈值的可信度加权协作频谱感知[J].计算机应用研究，2014，31（2）：511?514.
[7] 倪红霞，范志浩.混沌系统的耦合规律研究[J].科技通报，2010，26（5）：737?742.
[8] 万明，张凤鸣，胡双.基于多步长梯度特征的红外弱小目标检测算法[J].光学学报，2011，31（10）：1001?1006.
[9] 荣少魏，李斌，李昊.基于ARM9的直线电机潜油机无杆泵监测系统研究[J].国外电子测量技术，2011，30（3）：60?63.
[10] 陈国培，艾武，张静波，等.基于FPGA的ARM与绝对式编码器的通信接口实现[J].微电机，2012，45（8）：28?31.
[11] 靳晓艳，周希元，张琬琳.多径衰落信道中基于自适应MCMC的调制识别[J].北京邮电大学学报，2014，37（1）：31?34.
