（光学工程专业论文）应用于桥梁健康监测系统的分布式测控系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 大型桥梁健康监测及其数据采集系统目前在桥梁的施工及其运营中是一个比较新 的研究方向，其内容涵盖了桥梁结构设计分析和自控领域数据采集两大方面，根据桥 梁监测系统的特点，通常采用分布式采集的方法。本文结合国内外的研究实例，针对 国内大型桥梁健康监测系统近几年的蓬勃发展，力争系统地对分布式数据采集在桥梁 健康监测的应用做一个较为全面的研究。 本文分析了桥梁健康监测系统的研究背景、发展状况、目前存在的问题等等，提 出了以c a n 总线构成的分布式监控网络的设计对桥梁监测发展的论述。对于桥梁监测 系统的数据采集、数据处理和数据传输功能模块的工作原理、硬件设计、软件设计以 及他们的实现方法，进行了较为深入的探讨和详细的论述。同时对上位机的本地服务 器和远程客户端设计作了详细的介绍。最后给出了总体的实现及设计中需要注意的问 题和以后可以作出的改进。 关键词：桥梁监测；c a n 总线；总线通讯；本地服务器；远程客户端 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h es y s t e mo fh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o nf o rl a r g eb r i d g ei san e wr e s e a r c h d i r e c t i o ni nc o n s t r u c t i o na n dr u n n i n go fb r i d g ea tp r e s e n t i ti n c l u d e st h es t r u c t u r ed e s i g n a n a l y z eo fb r i d g ea n dd a t aa c q u i s i t i o no f a u t o m a t i c d o m a i n ? a c c o r d i n g t ot h e s y s t e m s c h a r a c t e ro f b r i d g em o n i t o r i n g ，t h ed i s t r i b u t e ds y s t e mi so f t e nu s e d w i t h t h es a m p l eo fr e s e a r c hi nb o t hh e r ea n da b r o a d af u l l - s c a l er e s e a r c ho fd a t aa c q u i s i t i o nh a s b e e nm a d ei nt h ea p p l i c a t i o no fb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n ga c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f d o m e s t i cm o n i t o r i n gs y s t e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mo ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ， d e v e l o p m e n t e x i s t i n gp r o b l e m s a n ds o c a nb u sp r o p o s e dt oc o n s t i t u t et h ed e s i g no f d i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r kt om o n i t o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i s c o u r s eo nt h eb r i d g e f o r b r i d g em o n i t o r i n gs y s t e md a t aa c q u i s i t i o n d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n m o d u l ew o r k s ，h a r d w a r ed e s i g n , s o f t w a r ed e s i g na n dt h e i ri m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o ra m o r ei n - d e p t hd i s c u s s i o na n dd e t a i l m e a n w h i l e p cl o c a ls e r v e ra n dr e m o t ec l i e n td e s i g n a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l f i n a l l y , t h eo v e r a l li m p l e m e n t a t i o na n dd e s i g ni s s u e sn e e d i n g a t t e n t i o na n dl a t e rc a nm a k ei m p r o v e m e n t s k e yw o r d s ：b r i d g em o n i t o r i n g ：c a nb u s ：b u sc o m m u n i c a t i o n ：l o c a ls e r v e r ：r e m o t ec l i e n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密z 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：涨石稻 日期：少夕、认2 0 指导老师签名：墨厂五 日期：2 矿，j 。2 矿 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 根据桥梁监测传感器类型设计了基于惠斯通桥式电路原理的采集电路，根据信号 特点设计了两级放大调理电路，根据现场环境的特点和数据的传输要求设计了c a n 总 线通讯网络； ( 2 ) 以新华龙公司的c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机为核心控制器设计了基于c a n 总线的分布式 监测模块和根据p c i c a n 卡设计了上位机监控软件； ( 3 ) 在试验桥上对系统的功能，性能和可靠性进行调试完善。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：豸锩 闩期：2 4 0 幺沙 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1研究背景及意义 第1 章绪论 大型桥梁的成功建造使“天堑变通途”的梦想成为现实，对改善道路交通状况和 促进地区间的经济贸易发展起到了不可替代的作用。大型桥梁是道路交通系统中的主 干枢纽，维系着国民经济的命脉，是国家基础设施建设的重要组成部分。随着交通建 设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成使得人们对这些大型重要 桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能目渐关注和重视。同时，既有的许多桥梁逐渐 进入了养护维修阶段，桥梁管理者对桥梁的养护也日益重视。它对于防止桥梁失效和 倒塌事故的发生，保障人民生命财产安全具有十分重要的意义。因此对于不同类型的 桥梁建立各种规模的桥梁健康监测系统日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热 点。 1 2国内外研究现状和发展趋势 桥梁的安全检测始于2 0 世纪5 0 年代，而1 9 6 7 年1 2 月俄亥俄河上的一起导致4 6 人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1 9 7 1 年制定了国家桥梁检测标准( n b i s ) ，用于全 面指导桥梁检测的各个环节。2 0 世纪8 0 年代后，国外已有为数不少的大型桥梁建立了 较为完备的桥梁健康监测系统。 1 2 1 桥梁健康检测的现状与发展 国外从2 0 世纪8 0 年代中后期开始建立各种规模的桥梁健康监测系统。例如，佛 罗里达州s u n s h i n es k y w a ) r 斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应变、位移 和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数掘。苏格兰的k i n g s t o n 桥上装有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化，监测目的是 为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。其监控计算机还配备报警装置， 能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。英国在总长5 2 2 m 的3 跨变高度连续钢 箱梁f o y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风荷载作用下主梁的振动、挠 度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。加拿大在全长1 2 1 9 k i n 建于海上4 5 跨预应力混凝土箱梁c o n f e d e r a t i o n 桥上实施了一套综合的监测系统，对桥梁在冰荷载 作用下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷载组合、风和地震荷载作 用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究。此外建立健康监测系统的典型桥梁还 有丹麦主跨16 2 4 m 的g r e a tb e l te a s t 悬索桥、挪威主跨5 3 0 m 的s k a m s u n d e r 斜拉桥、 英国主跨1 9 4 m 的f l i n ts h i r e 独塔斜拉桥等。 我国自2 0 世纪9 0 年代起也在一些重要的大型桥梁上建立了不同规模的长期监测 系统。1 9 9 9 年完成的上海徐浦大桥结构状况综合监测系统，其中的自动监测项目包括： 车辆荷载监钡f l ( 1 车道) ；温度监测( 2 0 点) ；挠度监钡u ( 1 5 点) ；桥梁振动监测( 1 6 点) ； 应变监测( 2 0 点) ；斜拉索振动与索力监测( 4 根斜拉索) 等。其监测内容包括车辆荷 载、中跨主梁的标高和自振特性，以及跨中截面的温度和应变、斜拉索的索力和振动 水平。香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上安装了目前世界上规模最大的实时 安全监测系统一保证桥梁运营阶段安全的“风和结构健康监测系统( w a s h m s ) ”，包括 了1 7 个加速度传感器、6 个风速仪、2 个位移计、1 1 0 个应变计、1 1 5 个温度传感器、 9 个水平仪和6 个动态地秤。监测作用在桥梁上的外部荷载( 包括环境荷载、车辆荷载 等) 与桥梁的响应。此外广州虎门大桥、江阴长江大桥以及润扬长江大桥等在施工阶 段业己安装用于健康监测的传感设备，以备运营期i 日j 的实时监测。 未来大型桥梁健康监测系统的研究发展方向主要体现在以下几方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼曼曼皇曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼量曼鼍i ii 曼曼舅曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 苎曼曼邑曼! 1 ) 桥梁健康监测系统的智能控制技术。 2 ) 传感器的优化布设研究。 3 ) 实时的监测系统与现代网络技术结合，实现信息的网络共享。 4 )自动损伤识别系统的研究，将量测系统、数据处理和识别系统一并装到桥梁监 测系统中，形成自动识别诊断和反馈，达到控制目的。 5 ) 桥梁的剩余承载能力和结构系统可靠度的研究。 1 2 2 现场总线的发展 现场总线的网络体系结构及标准的研究和制定始于1 9 8 5 年。在m o n t r e a l 的i e c 技 术委员会t c 6 5 c 会议上决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p ( i e ct c 6 5 cw g 6 f j 、纲一负责此 项工作。该组在1 9 8 6 年和1 9 8 7 年公布了一组现场总线的功能需求。在此期间其他一 些国际标准化机构或公司也开始了这项工作，其中有著名的i s a ( 美国仪器协会) 和i e e e p1 8 。在经过长达1 5 年的争论之后，终于在2 0 0 0 年形成了一个由8 个部分组成的 i e c 6 1 1 5 8 国际标准。其中包括基金会场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l db u s ) ，l o nw o r k s ， p r o f i b u s ，c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) 等。 虽然目前在发达国家，现场总线已经得到了极大的推广，广泛用于石化、冶金、 电力、交通、环保、机械、轻纺、楼宇管理等现代自动化控制系统。但是它在我国才 刚刚进入开发和应用阶段。当前中国经济正处十高速发展时期，市场潜力巨大，各大 现场总线的主要企业均看好中国市场，并展开了激烈的竞争。 当前国内现场总线市场的现状是： 1 ) 多种现场总线标准在国内展开激烈竞争。我们国内商家应该紧跟国际标准化的 潮流，加强对i e c 标准的学习。从应用和市场的角度讲，我们应该支持各种现 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 场总线在我国的推广应用。多种总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加 快现场总线在我国的推广。 2 ) 国内厂商开始自主研发现场总线产品并投入市场。从我国企业的具体情况看 来，应该把有限的资金集中在有限的目标上，不要同时搞太多的现场总线，过 多地变换目标将会分散精力，造成资金的浪费。同时，国内企业要推广现场总 线产品，还需要克服产品不成熟、扩充和配齐品种不足、市场开发的投入不够 等困难。 3 ) 现场总线应用工程开始在各行业得到应用并迅速发展起来。 近年来，现场总线标准及其技术已经逐渐成为全世界自动控制领域关注的一个焦 点，是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。甚 至有人预言：2 1 世纪是现场总线的世纪。这是因为： 1 ) 现场总线标准将开辟过程控制的新纪元； 2 ) 现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革； 3 ) 目前所做出的有关现场总线的决定将在未来的几十年中影响控制领域； 4 ) 现场总线将在很大程度上改变现有的所有实现控制和维护的方法。 由此可以预见在不久的将来，现场总线将进入飞速发展期，其主要发展趋势为1 1 9 1 ： 1 ) f c s 将会在一定的时期内成为主流控制系统。 2 ) 现场总线技术与计算机通信技术的紧密结合。 1 3 本文的主要工作 本人参加了“智能化桥梁结构研究”中监控系统研究的课题任务，在导师的指 导下，完成了泸州泰安长江大桥健康监测系统的研制工作。主要完成的工作有： 1 ) 研究了桥梁健康监测系统的基本原理，根据桥梁监测中监测数据的特点设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 了基于桥式电路的数据采集电路，包括微弱信号的数据采集处理技术的研 究，基于c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机的下位机节点电路的设计； 2 ) 基于桥梁监测的特点和环境设计了采用c a n 总线的分布式监测系统，包括 基于c a n 总线的通信和数据传输控制的实现，节点数据采集处理与c a n 控制 器的下位机软件的设计，p c 机与下位机利用c a n 总线的双向通信的实现； 3 ) 根据工程技术要求设计了基于互联网的数据实时监控系统。利用d e l p h i 软 件编写上位机控制程序，包括参数的设定、命令、数据库的存储以及在以太 网上的传输，客户- - n 务器结构的实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章桥梁健康监测系统总体设计 桥梁健康监测属于结构安全监测范畴，结构的安全监测是由结构的状态监测与病 害诊断两个过程构成，两者既有密切的联系又互有区别。状态监测是指通过某些方法 对结构的特征参数，例如振动、应力、变形、温度等进行测量，将测量值与机构正常 工作的数值进行比较，以判断结构的工作状态是否正常。 本章主要对桥梁健康监测系统的概念、监测内容、整体结构进行简单介绍，接着 对系统的底层模块方案设计进行了详细的介绍，涉及到传感器方案、数据采集处理及 传输方案设计，最后对上位机方案设计进行了介绍。 2 1 桥梁健康监测系统概述 桥梁健康监测系统是将根据桥梁的结构特性布设的现场传感器产生的数据采集处 理并传输到人机交互界面的上位机进行监控、存储与处理，实时的掌握桥梁的各种参 数及分析相关数据对桥梁的结构发展趋势作出判断，用以评测桥梁的安全性和对桥梁 设计进行更加深入的研究。大型桥梁结构分析与监测系统的整体框图如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼i m 一一m m m i 一 ；ii i 一一一l 皇蔓曼曼曼皇蔓曼! ! 曼! ! 曼! 曼曼! 皇蔓鼍曼曼皇皇量曼曼曼曼皇! ! 曼曼曼曼曼 图2 1 桥梁健康监测系统总体结构 系统将由分开布置的现场仪器采集的数据收集并进行处理控制然后存储或者传送 出去。因此它由数据采集、数据处理和数据传输三个部分构成。整个系统由多个底层 模块、一台接有c a n 总线通信板卡的上位机和远程客户机组成，采用主从结构，通过 接口卡来实现双向通讯，由此可以及时得知工业现场的各种数据和运行参数，从而保 证了对现场远程测控的实时性。 本系统主要监测和研究的内容如下： 应变应力分布：应力是最直接与安全有关的因素，桥梁结构关键位置的应力是结 构安全的重要标志大桥结构某些重要构件的应变应力分布控制结构的疲劳寿命，是进 行结构状态评估的重要依据。 温度：通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对应变测量精度的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 桥塔特性：对桥塔的倾斜和沉降状态进行监测评估桥梁的安全性等指标。 位移及加速度：监测位移及加速度可以为分析主梁在风、地震、交通及其它意外 因数影响下的桥梁的健康状况提供依据 2 2 下位机分布式模块方案设计 底层模块主要包括传感器的选用及布设，数据采集系统的设计、数据处理系统的 设计和数据传输系统的设计。所有的底层模块都分为上下两层，上层电路为c p u 模块， 主要是数据采集、处理和传输，下层电路是调理放大模块，主要是对采集的信号进行 调理放大。上层电路有数据采集模块的核心部件单片机c p u 以及它的外围电路和 上下层连接件。下层电路包括了信号调理电路，电源电路以及传输电路。信号调理电 路处理传感器送来的信号，电源电路为电路板各芯片和传感器提供各种不同的电压， 传输电路主要用来接收命令和传输数据。底层模块框图如图2 2 所示。 l ! 图2 2 底层模块框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 1 信号采集传感器介绍 根据前面介绍我们知道了桥梁健康监测需要采集的信号有温度信号、倾斜信号， 加速度信号、振动位移信号、应变信号和梁体挠度信号，正对以上信号的不同之处选 用传感器，因此各类信号的特点也不尽相同，下面是针对各类信号选用的传感器的介 绍。 桥梁测点温度信号：通过对整桥温度场的监测，可以设法消除温度变化对某些监 测过程或传感器本身的测量精度的影响；可以了解桥梁结构在某种温度场下的结构变 形、内力变化等情况。温度检测所采用传感器是数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，d s l 8 8 2 0 数字温度计提供9 位( 二进制) 温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送出。 其测量范围从5 5 墨c 到+ 1 2 5 。e ，增量值为0 5 0 c ，可在1 s 内把温度换成数字。其内有两个 存储器，一个存储温度符号，一个存储温度的补码，将存储器中的二进制数求补再转 换成十进制并除以2 就得到被测温度值了。 桥塔倾斜信号：桥塔倾斜反映主梁在环境和外荷载作用下的变形，是结构安全监 测的重要内容之一。通过监测桥塔的倾斜，掌握桥梁的变形信息，能够从变形指标的 角度评估桥梁的安全状况。在桥塔倾斜检测中，传感器采用美国e l 智能倾斜仪。该倾 斜仪量程小，分辨率高，用于检测结构倾斜变化。倾斜仪由电解质式倾斜传感器组成， 该传感器封装在外盒里。倾斜仪内有一种精密水准泡，由电阻电桥进行量测并输出电 压信号，其值与偏移量成正比。用支架将倾斜仪固定在塔壁上，把传感器读数调到零 值附近并记录初始读数。通过比较当前读数和初始读数来确定倾斜量的变化。 加速度信号：监测桥址处的地震及船撞击情况，记录地震及船撞击引起的加速度 响应并发出预警信号。实时监测桥塔、主粱各部位在环境脉动、风、交通、地震等作 用下引起的加速度响应，评估结构的整体动力特性，为桥梁结构整体健康状况评估、 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 验证大桥设计理论及运营管理提供依据。采用伺服式加速度计进行实时连续监测。 位移信号：监测主梁在桥塔处的纵、横向位移，为评估风荷载、地震、交通对主 梁的作用提供依据。采用位移传感器实时连续监测测点处位移。 应变信号：桥梁结构破坏的主要原因是结构局部开裂和失稳，应力是最直接与安 全有关的因素，桥梁结构关键位置的应力是结构安全的重要标志，因此，应力监测对 结构安全性及健康状况的把握至关重要，但是，一般无法直接测量得到材料的应力， 只能通过应变测试来反映应力。在梁体应变测试子系统中，采用应变片作为应变测试 的传感器。应变片采用日本共和p m l 6 0 2 l ，应变片长度为6 0 m m ，宽l m m ，电阻为1 2 0 q ，应变系数为2 0 9 。 桥梁挠度信号：采用罗斯蒙特变送器作为挠度测试传感器。罗斯蒙特变送器是具 有可变规模( s e a l a b l e ) 平台设计的新一代3 0 5 1 s 型系列变送器，无论从设计到安装，从维 护到操作都能实现最优的测量理念。 2 2 2 底层模块信号处理方案设计 桥梁各种监测信号的特点决定了底层信号处理模块的设计也不同。对于应变信号， 由于使用的是电阻式应变片，因此需要把电阻的变化最终转变成c p u 能够识别的电压 信号；对于温度、位移、加速度等信号由于传感器输出的是电压或者电流信号，因此 其硬件设计与应变有所不同。这里重点介绍应变信号的处理，其他信号的处理是在应 变的基础上稍作简化即可。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 模 拟 信 号 滤 前置 厂 、 后置 波 a ，d 电 放大 ，r放大 - 采集 c p u 器 一 器 路 jl d a 斟：蝴 图2 3 信号放大方案设计 应变信号前端放大器设计采用两级放大方案。第一级放大器主要对信号进行滤波 放大，可以采用两种方案设计，第一种是采用一般放大器加上多路选择开关设计可以 通过控制器更改放大倍数的方案：第二种是采用集成的具有多种放大倍数的放大器的 方案；第二级放大器和控制器的d a 输出组合组成对信号进行偏移调理的调理电路。 2 2 3 数据传输方案设计 在桥梁现场的信号的传输对传输方式的要求比较严格，根据其特点我们决定采用 现场总线的传输方式，典型现场总线产品及其特性对照见表2 1 d 至霎耋塞奎耋至圭至塞三耋篁篁圣蓦：三 曹b j 卑对女 m j l2 l27 i * n t * 目m 、 *主从专m 、*m 、争牌 镕* e c r c 通t 舟蜃晷oo投残。謇n ”艇 t ； 址靠式 广*? r 簟 恃输莲3 u _ s 3 1 0 5 k 25 m h 供也 羊g是是e 赶 优m主持 土#点ni * 幕* 割 同轴电缆电源线、光纤、无线电、红外线双绞线、光纤 c a n 总线作为现场总线之一，以其卓越的特性、低廉的价格、极高的可靠性和灵 活的结构，使其应用范围目前己不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业及传 感器等领域发展。 与般的总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性 其特点可概括如下： ) c a n 为多主方式工作，网络1 - 任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它 节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，无需站地址等节点信息 2 ) c a n 总线上地节点可分为不同的优先级，满足不同的实时要求 3 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影啊地继续传输 数掘，从而大大节省丁总线冲突仲裁时问；尤其是在网络负载很重的情况下也 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼璺舅曼鼍曼詈il l m m =i 寰 不会出现网络瘫痪情况； 4 ) c a n 总线具有点对点，一点对多点( 成组) 及全局广播传送数据； 5 ) c a n 总线通讯距离最远可达1 0k m ( 速率5 k b p s 以下) ，通讯速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达1 1 0 个，报文标识符可达2 0 3 2 种( ( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( ( c a n 2 0 b ) f l 勺报文标识符几乎不受限制； 7 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有较好的检错效果： 8 ) c a n 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的出错率极低； 9 ) c a n 的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； 1 0 ) c a n 节点在严重错误的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点 的操作不受影响。 由于c a n 总线具有诸多突出优点，也促使其在各个领域的应用得到迅速发展。在 国际工程机械上运用已经越来越普遍，并且日益体现出其特有的优势和不可限量的前 途。 2 3 上位机系统方案设计 上位机监控方案的内容是主要负责对网络模块数据进行收集、显示、处理和保存 等工作，它由两部分组成，一部分是本地服务器端，一部分是远程客户端。服务器端 主要任务是接收c a n 总线发送来的数据，并且将相应数据转换成电压值，显示转换值， 并且将数据以及其他相关属性存入数据库。服务器端还具有调零功能，发送数据给c a n 总线中的相应模块进行调零。客户端主要任务是通过远程网络访问服务端数据库将 服务端的采集数据在客户端动态显示出来( 以文本方式和图形方式显示) ，直观清楚， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 m mi ii i 舅皇曼璺曼皇曼曼蔓曼曼曼曼 可以对试验数据进行远程监控。上位机监控系统结构如下： 2 4 本章小结 图2 4 上位机系统框图 本章介绍了桥梁健康监测系统的总体系统方案设计，对系统设计作了简要的介绍， 然后对底层模块的方案设计进行了介绍，从传感器的介绍到信号处理的方案最后是数 据传输的方案，在数据传输的方案设计中详细介绍c a n 总线的各种特点，说明了为什 么使用c a n 总线作为桥梁健康监测的数据传输总线的原因，最后对上位机系统方案作 了介绍，有了系统方案得设计就能从各个方面展开对本健康监测系统进行全面的详述。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 第3 章桥梁监测系统的节点硬件设计 节点，是网络上信息的接收和发送站点，而所谓智能节点，用当前流行的说法来 讲，就是一个嵌入式系统。在本系统中，它位于传感器和执行机构所在的桥梁现场， 起着承上启下的作用。智能节点一方面和上位机( p c ) 进行通信，传输数据接收命令， 另一方面又根据系统需要对现场执行机构或传感器进行控制或采集。实现两大基本功 能：通信和控制。为了提高系统的实时性，一些简单的处理运算可以不通过上位机的干 预和控制，直接在现场完成，从而大大减少通信量，以发挥智能节点的优势。 c a n 总线把挂接在现场总线上所有智能节点连接成一个网络体系，实现基本控制、 补偿计算、参数修改、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。为实现上 述这些功能，正确的设计集检测、控制、执行和通信于一身的底层智能模块的硬件电 路就显得至关重要。 3 1 检测系统底层模块系统设计 本论文设计的是一种应用于桥梁现场的分布式数据采集和控制系统。该技术是利 用现场总线和网络技术，实现对多个分散的监测现场的应变、加速度、位移和反力等 现场信号的实时监测和传输控制及远程显示等功能。有利于及时了解整个桥梁的各种 工作状态，从而保证桥梁的安全正常运行。 本系统是基于c a n 总线的分布式数掘采集与通讯系统。以c a n 总线2 0 b 协议为 基础，设计了带有c a n 总线通信接口的数据采集与处理底层模块及具有实时监控与控 制的上位机程序。底层模块的硬件设计以c 8 0 5 1 f 0 6 0 高速型单片机为核心，其内部已 经集成了a d 采集和d a 输出子模块以及c a n 总线通讯模块。 分布式监测系统结构见图3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 上位机监控系统 c a n 总线接口 c a n b u s i 底层模块1底层模块2底层模块n 图3 1 分布式检测系统控制结构图 数 据 处 理 数 据 传 输 数 据 采 集 分布式采集与控制系统是将由分开布置的现场仪器采集的数据收集并进行处理控 制然后存储或者传送出去的系统。因此它由数据采集、数据处理和数据传输三个部分 构成。整个系统由多个底层模块和一台接有c a n 总线通信板卡的上位机组成，采用主 从结构，通过接口卡来实现双向通讯，由此可以及时得知工业现场的各种数据和运行 参数，从而保证了对现场远程测控的实时性。 3 2 监控系统数据采集部分设计 数据采集部分是整个桥梁健康监测的基础与前提，采集数据的好坏与速度直接的 影响着整个系统的功能与桥梁的性能的研究。因此，根据桥梁监测的特点设计具有针 对性的数采系统是所有工作的基础。 3 2 1 桥梁监测的数据特点及分类 桥梁健康监测系统所监测的内容主要有以下几方面。 1 ) 荷载。包括风、地震、温度、交通荷载等。所使用的传感器有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 风速仪：记录风向、风速进程历史，连接数据处理系统后可得风功率谱； 温度计：记录温度、温度差时程历史； 动态地秤：记录交通荷载流时程历史，连接数据处理后可得交通荷载谱； 强震仪：记录地震作用； 摄像机：记录车流情况和交通事故。 2 ) 几何监测。监测桥梁各部位的静态位置、动态位置、沉降、倾斜、线形变化、 位移等。所使用的传感器有：位移计、倾角仪、g p s 、电子测距器( e d m ) 、数 字像机等。 3 ) 结构的静动力反应。监测桥梁的位移、转角、应变应力、索力、动力反应( 频 率模态) 等。所使用的传感器有： 应变仪：记录桥梁静动力应变应力，连接数字处理后可得构件疲劳应力循环谱； 测力计( 力环、磁弹性仪、剪力销) ：记录主缆、锚杆、吊杆的张拉历史； 加速度计：记录结构各部位的反应加速度、连接数据处理后可得结构的模态参 数。 4 ) 非结构部件及辅助设施。支座、振动控制设施等。 根据项目要求，传感器数据采集系统，应该能提供各种监测数据情况的自动监测 功能。在泸州泰安长江大桥的健康监测系统中，该项目必须要测量以下变量： 桥梁结构关键部位的反应加速度监测，采用加速度传感器； 桥梁关键部位静动力应变应力监测，采用应变仪； 主梁关键部位应变监测，应力监测； 3 2 2 桥梁监测数据采集硬件设计 所有的数据采集模块可以分为上下两层，上层电路为c p u 模块，主要是数据采集、 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 薯i i ii i i i 皇曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 鼍曼曼量曼! 量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼基皇! 曼 处理和传输，下层电路是调理放大模块，主要是对采集的信号进行调理放大。上层电 路有数据采集模块的核心部件单片机c p u 以及它的外围电路和上下层连接件。下 层电路包括了信号调理电路，电源电路以及传输电路。信号调理电路处理传感器送来 的信号，电源电路为电路板各芯片和传感器提供各种不同的电压，传输电路主要用来 接收命令和传输数据。信号调理模块框图见图3 2 。 奈企，、 各 滤调 i - i h 吖 类 信号 波 信号 理 n 传 卜、放卜、转 m c u 数据卜z 感 大 r 换 数据 总 电电 1 卜 线 器 路路 图3 2 信号调理模块框图 基于桥梁结构的特点，对于应力应变采用电阻式应变计，依照惠斯通电桥( 见图 3 3 ) 的原理设计数采部分。 图3 3 惠斯通电桥示意图 由电工学知道电桥输出电压 砜= 杀蒜u u o 至童三兽銮：至圭至窒兰：箸篓銮兰! ! 至 当月1 r ；= 足r 电桥输出电压j f 旬，此时称电桥处于平衡状态。在平衡器件下，当 桥臂四个电阻月，如、凡、几分别产生电阻变化d r ，、j 毋、j 毋、d r 。时+ 利用 平衡条件并略去非线性高阶小量，则输出电压 ，o 蚰，足曲| ” 4l r ，兄：b 。j 因为些：世，可得 矗 。? = 等弘吨_ 从上式可知：应变仪读数等于相对桥臂应变量相加，相邻应变量相碱 其中惠斯通电桥实际应用的连接主要分四分之一桥、半桥和全桥三种方注如图 3 4 所示： 攀8 弋f 邕雾_ 耍哥。艺警，“ 基昔掣、 西1 ，r n 一，r一i l 7 i r 一。 j &，皖 & ， r “。! 一”f j ! k u k 。_ ! ! l o 一u u 。l j l i 研# n ei 一m 州i 眦1 t d i# 黜 d f * 嗲1 牵 ，弋 ”i _ ! ! ：一 图3 4 应变计的几种常见接法 四分之一桥：r 1 为外接应变计( 工作片) 胜为公共补偿片可同时补偿多个 工作片，而硒、r 4 为应变仪内无感电阻，称为四分z 一桥，本连接方法贴 片和接线比较简单，可解决温度补偿但不能提高电桥的灵敏度使用于测点 较多的结构测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 ) 半桥：r 1 、r 2 为外接应变计，r 3 、r 4 为应变仪内无感电阻，称为半桥，半 桥又分半桥单片( 一个工作片一个补偿片) 和半桥双片( 两个工作片) 。 3 ) 全桥：四个桥臂均外界应变计时，称为全桥。半桥和全桥两种接法除可解决温 度补偿外，还可以提高电桥的灵敏度，达到不同的测量目的。 本监控系统中底层模块数据采集部分的电路如下图： 图3 5 数据采集前端 其中i n o + 与i n o 是传感器信号的接入端，也就是数据采集点。 因为传感器传来的数据是微弱的电流电压信号，所以我们需要对其进行转变放大 以变成处理器能够识别的电压信号。桥梁监测现场的残酷环境使得对数据的采集收到 严峻的考验，因此，必要的滤波电路也是保证数据准确的必要的硬件条件。 本实验中根据噪声的特点产用了有源滤波和无源滤波的方式达到我们的要求。 放大部分采用两级放大电路，分别采用a d 6 2 0 和o p 0 7 对信号进行放大。 a d 6 2 0 是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增 益范围为1 至1 0 0 0 0 。此外，a d 6 2 0 采用8 引脚s o i c 和d i p 封装( 见图3 6a d 6 2 0 封装图) ，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低( 最大工作电流仅1 3 m a ) 。a d 6 2 0 具有高精度( 最大非线性度4 0 p p m ) 、低失调电压( 最大5 0 u v ) 和低失调漂移( 最大 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 0 6 。c ) 特性，是电子秤和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。此外，a d 6 2 0 还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性。其特性如下： 增益通过一个外部电阻设置( 增益范围为1 至1 0 ，0 0 0 ) ； 宽电源电压范围(= 至兰) ； 性能高于3 运放分立仪表放大器设计； 采用8 引脚d i p 和s o i c 封装； 低功耗，最大工作电流1 3 m a ； 输入失调电压：5 0( 最大值) ； 输入失调漂移：0 6 鞋( 最大值) ； 输入偏置电流：1 0 h a ( 最大值) ； 共模抑制比：l o o d b ( 最小值g = 1 0 ) ； 输入电压噪声：9 n v 4 h z ( 1 k i - - i z ) ； 0 2 8峰峰值噪声( o 1 i - - i z 至1 0 h z ) ： 带宽：1 2 0 k h z ( g = 1 0 0 ) ； g = 1 + ( 4 9 4k f 2 ) 0 0 1 建立时间：1 5 1 a s 。 o p 0 7 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于o p 0 7 具 有非常低的输入失调电压( 对于o p 0 7 a 最大为2 5 脒) ，所以o p 0 7 在很多应用场合 不需要额外的调零措施。o p 0 7 同时具有输入偏置电流低( o p 0 7 a 为2 n a ) 和开环 增益高( 对于o p 0 7 a 为3 0 0 v m v ) 的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得o p 0 7 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其特点如下： 超低偏移： 1 5 0最大； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 r g _ | n + i n - v s 低输入偏置电流： 1 8 h a ； 低失调电压漂移： 0 5 址； 超稳定，时间：2m o m h 最大： 高电源电压范围：+ 3 v 至+ 2 2 v 。 其管脚封装图见图3 7 。 t o p v i e w 图3 6a d 6 2 0 管脚图 r g + v s o f f s e t n u l lt o u t p u t 1 8 倒獬| n 艘 n o n - l n 嘲l 彻啦 r e f 、， o c ： 图3 7o p 0 7 管脚图 0 娩l 懈1 2 ? 0 渤幔 n e 根据芯片的资料和相关文档并结合桥梁监测的特点设计了基于上述两个芯片的两 级放大电路，第一级主要是对信号进行放大滤波，第二级同时引入了m c u 单元输出的 d a 对信号进行调理，它们共同作用把信号转到我们需要的输入范围内。其具体电路 图如下： 图3 8 信号采集处理电路图 由上图可知前级放大后的电压vj 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 囊= g ( 一i n o i n o ) g = 1 一( 4 9 4 k n r ，。) 这里r 11 的值可以设计为不同的电阻通过拨码开关、跳线帽或者多路选择开关等方式 提供不同的放大系数。 而后级放大后的输出v ：为： k = r a t k d 2 a o 一) 3 3 监测模块数据处理部分设计 数据处理是指对数据采集部分收集的各种形式的数据进行采样、分类、计算、合 并、选择、存储和传送等。该部分主要是通过c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机( c p u ) 利用算法来 实现的。 3 3 1 数据处理核心m c u 介绍 c 8 0 5 1 f 0 6 x 系列器件是新华龙公司生产的一款完全集成的混合信号片上系统型 m c u ，具有5 9 个数字f o 引脚( c 8 0 5 1 f 0 6 0 2 4 6 ) 或2 4 个数字i o 引脚 ( c 8 0 5 1 f 0 6 1 3 5 7 ) ，片内集成了两个1 6 位、1m s p s 的a d c 。下面列出了一些主要特 性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 两个1 6 位、1m s p s 的a d c ，带d m a 控制器 控制器局域网( c a n 2 0 b ) 控制器，具有3 2 个消息对象，每个消息对象有其 自己的标识掩码 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 1 0 位、2 0 0k s p s 的a d c ，带8 通道模拟多路开关 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式 6 4 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器 4 3 5 2 ( 4 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 可寻址6 4 k b 地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口 5 个通用的1 6 位定时器 具有6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 6 x 系列器件是真 正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使。i 。v , 禁止和配置。 f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更 新8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式 ( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器， 支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数 字外设都可全功能运