起重機械是國家法律規定的八大特種設備之一。每年國內外都會發生很多起因起重機結構損傷造成的人員傷亡事故，隨著起重機的大型化、高速化發展，對起重機的健康監測也越來越受到重視[1]。金屬結構作為整臺起重機的骨架，不僅承受自重和吊重，而且工作環境惡劣、使用頻繁，常常會出現受力不合理的情況，面臨意外損壞的危險。在金屬結構的安全評估中，起重機安全監控系統應力應變往往作為大型機械結構強度最重要的檢測指標[2]。對起重機的應力應變實施在線監測[3]，不但可以提高工作效率，而且能夠及時發現問題并采取相應的措施，避免事故的發生。

傳統的起重機應變檢測通過在現場安裝應變傳感器，按照測量流程，得到起重機的部分數據，根據這些數據來判斷關鍵結構的可靠性。這種方法不僅布線繁瑣，電流消耗大，擴展性、可移動性差，而且不能達到在線監測的目的，不能在第一時間發現金屬結構存在的安全隱患[4]。本系統選用TDC（時間數字技術）測量技術采集應變，簡化硬件電路，提高采樣精度，降低系統功耗，同時利用無線技術傳輸數據，達到實時、遠程、在線監測的目的，有效的提高了操作人員的工作效率，也降低了起重機應變監測的難度和成本。本文詳細闡述了起重機應變測量系統的整體設計及實現方案，主要研究了基于時間數字轉換技術的應變測量方法以及數據無線傳輸技術，介紹了系統的核心硬件以及控制軟件程序，最后通過將系統應用在起重機現場，驗證了本系統的可靠性和實用性。

1 、基于 TDC 的應變測量原理

TDC（時間數字轉換器），代表著一種測量金屬應變的數字化概念，具有非常高的測量50靈活性，整個系統電流消耗保持在100μA以下。TDC測量精度高，可以與高端24位數模轉換器相媲美，在高測量刷新率的情況下，可以獲得更高的精度[5]。TDC 通過測量時間間隔來求出應變電阻的變化。測量原理如圖 1 所示，Rsg1 和 Rsg 2 是組成測量半橋的兩個電阻應變片， Cload 是充放電電容，兩個應變片分別與 Cload相連組成一個低通濾波器； TDC 單元測量電容從開始放電到放電結束的時間間隔。圖 2 所示為 Cload 充放電曲線圖，開始測量時， Cload 先充電到上限充電電壓Vcap ，然后通過其中一只應變電阻放電到下限電壓Vtrip ，整個放電過程歷經的時間被 TDC 模塊所測量。在圖 2 中，電阻的變化反映為放電時間的變化，說明 TDC 測量技術將應變的測量轉化為對時間的測量[6]。

2、 基于 3G 的無線傳輸技術

起重機械常應用在野外、港口等環境較為復雜的地方，在通信過程中極易受到電線老化、電磁干擾、瞬變電壓等因素的影響。針對上述不穩定情況，系統選取無線通信方式傳輸應變數據。 3G 是第三代通信網絡，相對 GSM、 GPRS 以及 EDGE，在傳輸速度上有了很大的提升，而且在實時性、穩定性及安全性等方面， 3G 網絡也是目前無線移動通信系統性能最好的網絡。華為公司研制的 MU509-b 采用聯通 WCDMA 制式，是一個工業級 3G 模塊。主要通信方式為串口通信，通過發送 AT 指令來完成其相應功能，理論最高傳輸速率為 14.4Mb/S，可在 3.3V 電壓下穩定工作，目前已被廣泛應用在汽車電子、監控設備等領域。將 3G 技術應用在起重機應變遠程監測系統中，可以改善原有監測方法的延時性、距離短以及穩定性差等問題。

3、系統硬件設計

圖 3 為系統硬件結構框圖，主要包括應變測量芯片 PS021 模塊、單片機 MSP430 模塊、3G 通信模塊以及穩壓電源模塊。 PS021 與分布在起重機關鍵部位的應變片通過導線連接，并將應變片電阻的變化轉換成電容充放電時間的變化，微控制器通過 SPI 接口接收應變數據，最終通過以太網將數據傳輸至遠程服務器。

3.1 應變測量芯片 PS021

PS021 是德國 ACAM 公司開發的基于 CMOS 技術的應變測量數字化解決方案，內部集成有完整的用于信號采集、轉換和標準化輸出的電路。芯片內部集成 TDC 技術，是一款超低功耗、超高精度的應變測量芯片，內部分別對溫度漂移、零點漂移進行補償。圖 4 為基于 PS021 的應變采集電路圖，芯片共有兩個采集通道，同時采集兩點應變值，自帶溫度測量模塊，通過數字 SPI 接口與單片機進行通信。 PS021 具有半橋和全橋兩種橋路的連接方法，本系統采用半橋連接的輪換模式，接法如圖 5 所示。

應變測量精度的關鍵是與應變片并聯的放電電容的選擇。 一般選擇 COG/NPO 型電容以達到較高的測量精度。放電電容值需要根據應變電阻值進行選擇，放電時間幾種規格，根據上式計算得到放電電容值，單位為 μF。

3.2 微控制器 MSP430

圖 6 為微控制器模塊電路圖，主要包括晶振電路以及復位電路等。 MSP430 系列是美國I 公司推出的 16 位超低功耗混合信號處理器[7]。本系統選取的 MSP430F149 具有 5 種低功耗模式以及豐富的外圍模塊。包括 6 組 I/O 模塊、精密模擬比較器， 2 組頻率可達 8MHz 的時鐘模塊為系統通信提供時鐘頻率， 1 個 FLASH 存儲模塊以及 8 路 12 位 AD 轉換通道。MSP430 提供可實現同步和異步的 USART 通信模塊