摘 要：利用現(xiàn)代傳感器以及Internet通信技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)橋梁健康參數(shù)，正在逐步應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外許多大型橋梁監(jiān)測(cè)之中，不僅可以節(jié)省人力，并且具有準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、安全性等。本文提出了一種基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、硬件結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。 關(guān)鍵詞：CAN 總線；橋梁監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；控制系統(tǒng) 1．引言 在橋梁健康監(jiān)測(cè)工作中，數(shù)據(jù)采集是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了避免造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，力求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能化評(píng)估，通過(guò)測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況的信息，分析其健康運(yùn)行情況，分析其是否受到損傷，以便將未知的危害降到最低。這對(duì)確保橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，及早發(fā)現(xiàn)橋梁?jiǎn)栴}，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命起著積極的作用。 本系統(tǒng)采用應(yīng)力式傳感器，設(shè)計(jì)橋梁的數(shù)據(jù)采集及其監(jiān)控系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)采集模塊，控制模塊和通信模塊，通過(guò)CAN 總線將采集到的數(shù)據(jù)傳送到工控機(jī)，并通過(guò)Internet 將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的控制室的終端PC 上，在終端PC 上遠(yuǎn)程監(jiān)控橋梁的健康情況。 2．系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 由于CAN總線為多主方式工作，最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線分布式數(shù)據(jù)采集控制方式。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制室、遠(yuǎn)端控制室三大部分。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，可分為A/D 轉(zhuǎn)換單元、MCU 以及CAN 控制器、光耦隔離、CAN 驅(qū)動(dòng)器等接口電路單元。其主要功能是采集分布于不同橋墩現(xiàn)場(chǎng)拉力傳感器采集的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)所得的信息發(fā)送控制命令，控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，例如實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能等。 由于CAN 的通信距離有限，并且遠(yuǎn)端控制室和現(xiàn)場(chǎng)相隔較遠(yuǎn)，所以就需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理?，F(xiàn)場(chǎng)控制室主要由CAN 接口適配卡以及上位機(jī)PC 組成，并且通過(guò)代理服務(wù)器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的控制室。并且還外接可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備以便于數(shù)據(jù)的更新與備份。 遠(yuǎn)端的控制室主要由客戶(hù)端PC 以及通過(guò)Internet 以及客戶(hù)端的操作軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN 節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)打印等基本功能及其操作。 3．電路設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，分為傳感器和單片機(jī)組成的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制部分、現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)和CAN 接口適配卡以及代理服務(wù)器組成的現(xiàn)場(chǎng)控制室的傳輸部分、終端PC 機(jī)和操作軟件組成的數(shù)據(jù)處理部分。其中關(guān)鍵是現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集控制部分，我們將對(duì)這一部分進(jìn)行重點(diǎn)研究。 3.1 數(shù)據(jù)采集 基于CAN 總線的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)功能盡可能地分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)；各節(jié)點(diǎn)以微處理器為核心，完成各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能。為了把各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同的種類(lèi)、不同的格式的信息能夠在基于CAN 的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)有與CAN 總線接口的電路。數(shù)據(jù)采集部分的電路如圖2 所示： 由圖2 可知，此電路是以單片機(jī)STC89C52 為核心處理芯片，整個(gè)硬件電路由五個(gè)部分組成： 1） CAN 總線接口電路：由SJA1000及82C250 組成，STC89C52 對(duì)SJA1000 的操作，相等于外部RAM 的操作，其P0 口接SJA1000 的AD0～AD7,ALE、/WR、/RD、P2.5 端分別接SJA1000 的ALE、/WR、/RD、/CS 端，另外SJA1000 的中斷信號(hào)/INT 接STC89C52 的/INT0端，使得STC89C52 可收發(fā)各類(lèi)信息。CAN 總線收發(fā)器82C250 提供了CAN 控制器與物理總線之間的接口，提供總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，抗干擾能力，使得信號(hào)能夠更遠(yuǎn)更可靠的傳輸。其TXD、RXD 端通過(guò)高速光耦分別接SJA1000 的TX0、RX0，兩個(gè)輸出端CANH和CANL 分別與物理總線的CAN_H 和CAN_L 連接，在總線的末端加上120Ω 匹配電阻，以減少信號(hào)反射干擾。 2）A/D 轉(zhuǎn)換電路：由11 路模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543 實(shí)現(xiàn)，STC89C52 的P1.0～P1.3 引腳分別與TLC2543 的/CS、CLOCK、DATA IN 和DATA OUT 相連，通過(guò)這些連接，STC89C52可以控制A/D 的轉(zhuǎn)換的時(shí)間、選擇轉(zhuǎn)換通道、極性等；當(dāng)A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，TLC2543 通過(guò)EOC 引腳，以中斷的形式通知STC89C52 接收數(shù)據(jù)。其中TLC2543 為CMOS 12 位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。具有快速轉(zhuǎn)換和通用的控制能力。片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路。 3）RS-232 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路：該電路主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)調(diào)試功能。其中STC89C52 通過(guò)串口TXD、RXD 與MAX232 的相應(yīng)管腳相連，當(dāng)STC89C52 需要將從現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)或從CAN 總線上接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS-232 協(xié)議格式的信息與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或其他模塊進(jìn)行通信時(shí)，可直接將信息通過(guò)串口TXD、RXD 傳送給MAX232，由芯片MAX232 完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。 4）多路輸入輸出電路：該部分主要完成現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)警、結(jié)果顯示等功能。由于基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集模塊可直接與多種模擬量或數(shù)字量設(shè)備相連，所以當(dāng)模塊需要采集現(xiàn)場(chǎng)的I/O 信息或需要根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行顯示、報(bào)警、控制時(shí)，可通過(guò)由P1.4～P1.7 和高速光耦隔離組成的多路輸入輸出電路實(shí)現(xiàn)。 5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 擴(kuò)展電路：此外，為了滿足數(shù)據(jù)存取和處理的需要，電路還擴(kuò)展 了8K 的數(shù)據(jù)存貯器空間（RAM）。 3.2 數(shù)據(jù)傳輸 服務(wù)器擔(dān)負(fù)著與單片機(jī)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與控制室通信等多項(xiàng)任務(wù)，是連接橋梁現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)端控制室的重要組成部分，它的優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。我們最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)人值守和長(zhǎng)期連續(xù)的工作，因此要求服務(wù)器性能穩(wěn)定、工作可靠，本系統(tǒng)中選擇性能優(yōu)越的工控機(jī)操作系統(tǒng)Windows Server 2003，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件采用SQL Server2005，另外由于本系統(tǒng)為連續(xù)工作，而數(shù)據(jù)量很大，所以服務(wù)器外接可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備以利于數(shù)據(jù)的更新與備份。 現(xiàn)場(chǎng)的代理服務(wù)器負(fù)責(zé)接收下位機(jī)采集到的橋梁狀態(tài)信息，在這里信息進(jìn)行預(yù)處理，例如和預(yù)設(shè)的報(bào)警門(mén)限值進(jìn)行比較，如果超過(guò)門(mén)限值則馬上發(fā)出報(bào)警，同時(shí)數(shù)據(jù)在這里存入數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器與Internet 網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)打包實(shí)時(shí)的傳送給遠(yuǎn)端的控制中心，在這里進(jìn)行最終的分析和處理實(shí)時(shí)地顯示出狀態(tài)變化。 3.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理部分主要負(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)分析、處理等功能。由客戶(hù)端PC 和操作軟件界面，通過(guò)Internet 負(fù)責(zé)接數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等。 4．軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理三部分。其中數(shù)據(jù)傳輸部分包括單片機(jī)與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)器與控制室PC 之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理包括客戶(hù)端的PC 機(jī)上的客戶(hù)操作、分析、處理軟件等。 根據(jù)分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)到操作站的距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)情況現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、打印報(bào)表等功能。 4.1 數(shù)據(jù)采集部分軟件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集部分的程序流程如下圖3所示 由此軟件結(jié)構(gòu)圖可知，STC89C52先對(duì)自身進(jìn)行初始化，然后立即對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化以盡快建立該數(shù)據(jù)采集模塊與CAN總線之間的通信鏈接，其中對(duì)SJA1000的初始化是該軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)比較關(guān)鍵的部分，主要包括在復(fù)位模式下設(shè)置通信的波特率、AMR、ACR、OCR、CDR，要根據(jù)與將要發(fā)送的報(bào)文標(biāo)識(shí)符有關(guān)。BTR0、BTR1寄存器的內(nèi)容可以唯一確定系統(tǒng)的通信波特率和同步跳轉(zhuǎn)寬度。所以整個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容必須相同，否則無(wú)法通信；對(duì)ORC的操作可確定CAN控制器的輸出方式，并建立起CAN總線要求的電平邏輯所需輸出驅(qū)動(dòng)器的配置。 與CAN 總線的通信建立之后，STC89C52 就開(kāi)始采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，先是模擬量，然后是數(shù)字量，在對(duì)模擬量的數(shù)據(jù)采集中，為了減少外部干擾帶來(lái)的誤差還進(jìn)行了消除誤差處理，主要包括判斷數(shù)據(jù)是否存在超大誤差，對(duì)連續(xù)多次采樣得到的數(shù)據(jù)求平均值作為采樣值等措施，以減少系統(tǒng)采樣誤差。再判斷是否采集的值超出設(shè)定的界限，需要報(bào)警否，是否現(xiàn)實(shí)設(shè)備的狀態(tài)，是否準(zhǔn)備往CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)等，如需要?jiǎng)t進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 4.2 數(shù)據(jù)傳輸部分 服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)管理和傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)，因此它的工作直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和工作，由于本系統(tǒng)要求服務(wù)器能夠在無(wú)人職守的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，最好選用性能優(yōu)越的工控機(jī)，可以為采集系統(tǒng)提供更多的串行口。 客戶(hù)端的主要任務(wù)是接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝徊绞强蛻?hù)端必須連上服務(wù)器，首先要設(shè)置服務(wù)器的IP 地址和端口號(hào)，然后發(fā)送聯(lián)機(jī)請(qǐng)求。 4.3 數(shù)據(jù)處理部分 數(shù)據(jù)處理部分是要在遠(yuǎn)端控制室的PC 機(jī)上，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)操作界面，具有實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)故障報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)情況現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、打印報(bào)表等功能，通過(guò)MicrosoftVisual C++6.0 編程，進(jìn)行對(duì)各種數(shù)據(jù)源進(jìn)行操作訪問(wèn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控橋梁的健康情況。 5．結(jié)束語(yǔ) 橋梁的健康狀況監(jiān)測(cè)對(duì)于橋梁的安全運(yùn)行有著重要的意義。本文首先介紹了CAN 總線的性能，在分析了橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了利用傳感器、CAN 總線以及Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橋梁狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的方法，提高了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損壞和突發(fā)事件的反應(yīng)速度并且節(jié)約人力物力。它改變了傳統(tǒng)的以人工為主的檢測(cè)手段，大大的提高了橋梁監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、安全性等。 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不只是傳統(tǒng)的橋梁檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單改進(jìn),而是運(yùn)用現(xiàn)代傳感與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)階段在各種環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與行為，獲取反映結(jié)構(gòu)狀況和環(huán)境因素的各種信息,由此分析結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)、評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性,為橋梁的管理與維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] 周文松,李惠等.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[D],公路交通科技,2006 年3 月, 83-84. 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