（机械设计及理论专业论文）基于嵌入式以太网的桥梁远程监测技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，桥梁健康监测技术已成为国内外学术界、工程界研究的热点，国内 外的许多桥梁都建立了结构健康监测系统。实现桥梁结构信息的现场采集与远 程传输是桥梁远程自动监测所要解决的核心问题之一。本论文根据大型桥梁的 特点与长期实时监测的需求，提出了一种适用于大型桥梁的远程监测方案，并 进行了详细的系统设计和软硬件设计，以期为该系统在桥梁健康监测中的实际 应用奠定理论和技术基础。本文的主要研究工作如下： 在详尽分析国内外远程监测技术的基础上，采用嵌入式技术与虚拟仪器技 术相结合，提出了种适用于大型桥梁的、分布式的、基于嵌入式以太网的远 程监测方案，并对数据采集与数据传输单元的软硬件以及进行了设计与实现。 其中包括：设计了a r m 处理器与模数转换器a d s 8 3 2 1 的硬件接口电路和a r m 处 理器与以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 的硬件接口电路；在嵌入式实时操作系统 “c o s i i 上编写了a d s 8 3 2 1 与r t l 8 0 1 9 a s 的驱动程序以及基于s o c k e t 接口的 以太网通讯程序；在l a b v l e w 平台上给出了以太网通讯、数据实时显示以及报 警等模块的实现方法。 本系统在底层数据传输上采用了嵌入式的以太网技术，它具有速度快，开 放性好，通用性强，价格廉价等优点，有利于实现桥梁监测网络与办公管理网 络及i n t e m e t 的无缝结合。在数据采集与数据传输单元的硬件上，选用了接口丰 富、处理能力极强的嵌入式a r m 微处理器，与普通8 位处理器上构建的同类的 数据采集系统相比，它具有更快的处理速度；在软件上，采用嵌入式实时操作 系统l a c o s i i 作为应用程序开发的平台，使系统的稳定性、可靠性与可扩展性 显著增强。 本系统具有通用性好、可靠性高、可扩展性强等优点，不仅可以满足桥梁 的远程、实时、自动监测的需求，而且适用于大多数类似与桥梁的大型的结构 设施与工业设备。 关键词：以太网，嵌入式系统，数据采集，数据传输，桥粱 a b s t t a c t a b s t r a c t b r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eaf o c u so fr e s e a r c hi nm a n y f i e l d si n c l u d i n ga c a d e m ea n de n g i n e e r i n g al o to fb r i d g eh a sb e e nb u i l dh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m h o wt or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o na n dr e m o t et r a n s m i s s i o no fd a t a i s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp m b l e m st ob es o l v e di nb r i d g er e m o t em o n i t o r i n g t h i s p a p e rg i v e st h eg e n e r a ld e s i g na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i d g e ，a n d p r e s e n t st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e ma sw e l la sap a r to f t h e s o f t w a r eo f t h ec o n t r o 】c e n t e r t h ec e n t r a lw o r ka sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h i sp a p e rg i v e st h eg e n e r a ld e s i g no ft h e s y s t e mw h i c hb a s e do ne t h e m e ta n dd i s t r i b u t e du s i n ge m b e d d e da n dv i r l u a l i n s t r u m e n t st e c h n o l o g y ；s e c o n d l y , p r e s e n t st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h er e m o t e d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi n c l u d e st h ei n t e r f a c ec i r c u i to fa d a n dr t l8 019 a s ，t h ed r i v i n gp r o g r a mo fa d s8 3 2 1a n dr t l8 0 19 a s ；l a s t l yg i v e s t h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，d a t ar e a l t i m ed i s p l a yp r o g r a ma n dt h ea l a r m p r o g r a mo f t h ec o n t r o lc e n t e r t h es y s t e mu s e st h ee m b e d d e de t h e m e tt e c h n o l o g yi nt h eb o t t o mo ft h es y s t e m t h a tb r i n g sm a n yb e n e f i t st ot h es y s t e m ，s u c ha sh i g hs p e e d ，o p e na r c h i t e c t m - ea n d l o wc o s te t c ，i ta l s oh a st h ea d v a n t a g eo fc o m b i n a t i o no ft h em o n i t o r i n gn e t w o r ka n d t h em a n a g e m e n tn e t w o r k t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nu n i tu s et h ea r ma s t h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，c o m p a r ew i t ht h es a m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hb a s e d o n8b i tp r o c e s s o rt h es y s t e mp r o c e s s i n gm u c hf a s t e r a st h es y s t e ms o f t w a r ei sb a s e d o nt h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mg c o s i i ，t h es t a b i l i t y , t h es e c u r i t ya n d t h ee x t e n s i b i l i t yo f t h es y s t e mi n c r e a s e dg r e a t l y t h es y s t e mh a st h em e r i to fh i g hs t a b i l i t y , h i g hs e c u r i t ya n db e t t e re x t e n s i b i l i t yi t c a nb eu s e dn o to n l yt ot h eb r i d g eb u ta l s ot h es t r u c t u r el i k et h eb r i d g e k e yw o r d s ：e t h e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n ，b r i d g e 独创- l 生声明 y8 s 日磊9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签 名：毳橛日 期：掣q z ! ! ! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：妻瞑导师签笺觯日期：出 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 桥梁是投资巨大，使用期长的大型基础设施，因此其使用的安全性对国民 经济有着举足轻重的作用。在其运营过程中，由于荷载作用，疲劳效应、腐蚀 效应和材料老化等不利因素的长期影响，桥梁结构将不可避免的产生自然老化 现象，损伤积累，甚至导致突发事故，为此对桥梁等大型基础设施进行健康监 测，可随时掌握桥梁的健康状态，使大桥的养护维修工作更具有理论指导性， 建立起信息管理数据库和监测反馈系统，通过结构参数的识别，及时发现缺陷 和损伤，使桥梁可靠评估工作标准化和规范化l l 捌。 桥梁远程监测，监测区域广、监测站点分散，各测站之间的距离般有几 百米，测站与监控中心之间的距离一般几公里到上百公里。因此，实现大量监 测数据的远程、稳定、可靠传输是桥梁远程监测需要解决的核心问题之一一。 目前，应用与桥梁长期远程监测的数据传输手段大致可分为：无线数据传 输方式和有线数据传输方式两大类。无线方式组网灵活，不需要铺设专门的电 缆，但是由于其数据传输率低，而且信号比较容易受干扰，很难适应桥梁远程、 实时监测的需求：有线监测的方式，安全可靠稳定性强，是目前桥梁远程监测 系统普遍采用的数据传输方式。 较早的远裎监测系统都是基于专线或者专用网络构建的，这些专用网络一 般数据传输率都 e 较低，开放性差，而且价格昂贵。随着计算机网络技术的发 展，以太网以其开放性好、标准化、产品价格低廉等优点，备受青睐。因此， 在对大范围、分布对象的实时监控系统中都普遍采用以太网来进行实时数据的 传输，但是，目前在多数的桥梁远程监测系统中，监测现场都是采用工控机插 采集夤柬实现数据的现场采集和远程传输。对于桥梁所处的恶劣环境来讲，一 般的工控机很难持续、稳定的工作。 嵌入式系统具有功耗低、体积小、集成度高等优点，采用嵌入式系统与以 太网相结合构建的数据采集与传输系统，能更好的适应监测现场恶劣的环境， 更有利于提高监测系统的稳定性、可靠性、以及网络化。 第一章绪论 1 2 桥梁远程监测技术发展的现状以及存在的问题 目前，桥梁健康监测技术已成为国内外学术界一 程界研究的热点，因内 外的许多桥梁都建立了结构健康监测系统【2 j 。 大型结构远程监测，监测区域广、监测站点分散、传感器种类繁多，给信 息的采集和管理都带来了困难。实现数据的远程采集，进而实现包括数据传输、 处理在内的整个流程的自动化，是大型结构远程自动监测所要解决的核，t b 问题 之i 】j j 。数据的远程采集与传输可以有多种方式实现，从信号传输的方式上可 分为两大类：一类是基于无线数据传输技术的监测的方式，另一类是基于有线 数据传输技术的监测的方式。 12 ，1 基于无线传输方式的远程监测技术的优点以及存在的问题 无线监测方式，灵活性强，适于边远山区的数据量较小的监测系统。日前， 应用于大型结构健康监测的无线监测的方式主要有：基于无线数据调制的监测 方式和基于现今覆盖率非常广的g p r s 或c d m a 网络的监测方式。 基于无线数据调制传输方式，主要是利用民用无线电公共频段来传输数据， 比较常见的对讲机、民用无线电台、遥控玩具等，都是利用这种方式进行通讯 的。这种通讯方式的优点是：不用架设专门的电缆就可以进行数据的传输，方 便、快捷，而且不收取任何费用。但是，它是基公共频段来进行数据交互的， 因此，通讯的安全性较差，此外，无线电信号比较容易受电磁干扰，受天气的 变化的影响也比较大。 基于现今覆盖率非常广的g p r s 或c d m a 网络的监测方式。可以实现更远距 离的通讯，只要是g s m 网络或者c d m a 网络覆盖到的地方，就可以搭建监测平 台，因此，备受人们的青睐。目前，正广泛应用于远程仪器、仪表，以及温度 雨量等的监测，但是，目前g p r s c d m a 网络的数据传输速率都相对较低率， g p r s 网络理论数据传输速率峰值为1 7 1 ，2 k b s ，而c d m a i x 的理论峰值为 1 5 2 k b s ，它们实际的稳定传输速率只有几十k ，网络繁忙时才只有几k ，远远 不能满足桥梁远程监测实时数据传输的要求。此外，g p r s c d m a 是收费的网络， 相对与实时数据传输而言，其价格十分昂贵。 1 2 2 基于有线传输方式的远程监测技术的优点以及存在的问题 一2 一 第一章绪论 有线监测的方式，安全可靠、稳定性强，但需要以铺设专门的电缆为代价。 目前，应用于大型结构健康监测的有线监测方式主要有：基于r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、 c a n 等现场总线技术的监测方式，基于现场总线+ 嵌入式以太网技术的监测方 式，基于采集卡+ 以太网技术的监测方式。 ( 1 ) 基于现场总线的监测方式的优点和存在的问题。现场总线具有全丌放、 全分散、互操作等许多优点。但是，目前的现场总线技术仍存在很大的局限性， 在全开放、全分散控制等方面，仍存在许多需要解决的问题。目前，现场总线 控制系统中存在的问题： 首先，在目前现场总线控制系统中，主要是低速现场总线。现场仪表及设 备的计算能力和信息处理能力都较低，主要用于数据采集和控制信号的输出， 并实现p i d 控制等一些简单的控制算法。复杂的控制功能，如预测控制、神经网 络控制、系统优化等，仍需要在p c 机或工作站上实现。 其次，由于现场总线位于整个系统的最底层，只是系统的一个组成部分， 仅现场总线不足以实现系统的全开放结构。 同时，目前已经出现的p r o f i b u s 、f f 等几十种现场总线，每种现场总线代 表着不同厂商的利益。各大厂商进行激烈的市场竞争，使这些现场总线很难实 现统一。由于不同现场总线产品不能实现互操作，一旦用户选择某种现场总线， 就会被局限于这种现场总线，如果再选择另一种现场总线，必须付出高昂的代 价【6 j 。 由此可见，现场总线的方式也只适用于监测范围相对较大，速度要求不高 的场合。例如，它可以很好的实现锅炉、储罐、反应塔、高炉等设备的压力、 温度、料位、液位等变化缓慢的物理量的监测。但是要对像桥梁、大坝之类的 大型设旅进行实对监测，就显得力不从心。 ( 2 ) 基于以太网的监测方式的优点。随着i n t e m e t 的迅猛发展，以太网已成为 事实上的工业标准，t c p 1 p 的简单、实用，已成为广大用户所接受。目前，不 仅在办公自动化领域内，而且在各个企业的管理网络中也都广泛使用以太网技 术。由于它技术成熟，连接电缆和接口设备价格相对较低，带宽也在飞速的增 长，特别是快速以太网与交换式以太网技术的出现，使人们转向希望以物美价 廉的以太网设备代替控制网络中相对昂贵的专用总线设备。 以太网不但能很好的解决以上全分散、全开放、不同协议的现场总线系统 集成问题，还具有如下的优点： 第一章绪论 首先，以太网经过多年的发展，其技术已经成熟，发展速度很快，目前其最 低速率为l o m b p s ，而百兆以太网已经广泛应用，千兆以太网技术也逐渐成熟， 因此，它能很好进行实时数据的传输： 其次，以太网的网络产品应用广泛，价格低廉，并且一般网络产品均提供对 以太网的支持，同时由于以太网是彻底开放的、互连的网络，因此很容易实现不 同厂商的设备互联； 再次，以太网的产品的软硬件资源更丰富，几乎所有的编程语言都支持 t c p i p 协议，并且易于与i n t e m e t 连接，这样基于以太网的长期的监测与评估系 统就能很好的与企业普遍采用的商业以太网很好的兼容，从而监测系统就可以 与企业的管理、决策相结合，即管理人员在办公室中就能从监测系统中获取信 息，并根据信息做出相应的决策，即实现办公自动化与工业自动化的无缝结合、 形成管控一体化的全开放的工业控制网络； 另一方面，监测系统采用开放性、标准化和流行的硬件、操作系统、网络 技术，尽可能使用各种计算机技术，可以有效地减少对专用产品的依赖。减少 备品备件的数量，降低运行、维护成本 7 3 q 3 引。 ( 3 ) 数据采集卡十以太网监测方式的优势以及不足。目前，桥梁监测大多数采 用在工控机上插采集卡，再通过工控机与远程的监测中心实现以太网通信的方 法，这种方式的优势在于采集卡的数据采集速度可以很高，但是，由于现场振 动、温度以及其他恶劣环境的影响，工控机和采集卡的使用寿命都受到严重的 考验。经常会因为温度过高而出现机器死机的状况，由于现场振动过大致使硬 盘损坏的现场也屡见不鲜。 1 3 基于嵌入式以太网的远程监测系统的现状 嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许 多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化， 把不需要的设备裁减掉，既兼顾了系统的功能，又节约了成本，同时使移动能 力大大增强，与网络的结合也越来越紧密。更有利于提高监测系统的稳定性、 可靠性、以及网络化。 嵌入式系统与i n t e m e t 结合发展的状况，将嵌入式系统与i n t e r n e t 网结合起 来的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于：一方面，i n t e m e t 网上的各种通讯 第一章绪论 协议对于计算机的存储器，运算速度等的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位微处理器外，大量存在的是8 位和1 6 位的微处理器，如果要支持t c p i p 等 l m e m e t 协议将占用大量系统资源或根本不可能实现：另一方面，在嵌入式系统的 应用上，微处理器的型号、种类非常多，要在各种不同的微处理器上实现相应的网 络功能，设计人员都要先熟悉该型号微处理器结构特点和相应的编程语言，由干 不同型号的微处理器之间存在着一定的差别，所以使得将嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来存在定的难度l j “。 随着微电子技术和网络技术的发展，以上的问题逐步得到解决，大量的新 型微控制器不断推向市场，处理能力较强的微处理器也逐步得到广泛的应用， 以太网技术也不断的完善。这一切都为嵌入式以太网技术的发展奠定了基础。 目前，嵌入式以太网技术在工业控制网络中的应用已经广泛的展开，具有 以太网接口的各种智能化仪器仪表正逐步取代传统的测控设备。嵌入式以太网 技术为工业控制网络的发展带来了更广阔的领域，它突破了常规的工业控制网 络的框架，使以太网不仅服务于管理层，而且迸一步延伸到工业控制现场设备， 以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，完 成从底层到上层的一体化网络3 8 j 。 在国际上已有许多公司将嵌入式以太网应用到数据采集系统，如r e a dt i m e i n t e r g r a n t i o n ，b a y t e c h ，f u k e m e a u r e m e n tt e c h n o l o g y 和i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o n 等公司都采用此网络技术，并已在多处工业现场应用，如在意大利其应用范围 已从流水线监控一直延伸到制酒行业，在国内基于嵌入式以太网的各种远程监 测系统的研究也已经广泛的展开。 4 论文的主要研究内容 根据山西省交通厅科研项目“新原高速公路小沟特大桥长期远程实时监测 系统”的研究任务要求，并结合研究生毕业设计的实际情况，本论文选取该项 目的部分内容“基于嵌入式以太网的桥梁远程监铡技术研究”作为本论文的研 究任务，主要设计开发了种适合于大型结构或设备的远程、实时、连续数据 采集与传输系统。 其主要研究内容有以下几方面： ( 1 ) 系统的总体设计结合大型结构实时远程监测的特点和应用的需求， 第一章绪论 提出了系统设计的思想，并从系统的功能和结构两个方面给出了具体的设计方 案。 ( 2 ) 嵌入式数据采集与数据传输单元软硬件的设计及实现根掘系统的总 体设计方案，对嵌入式数据采集与数据传输单元的软硬件进行详细设计，并介 绍了系统开发的软硬件开发平台和系统软硬件开发的过程，主要包括数据采集 与数据传输单元硬件电路实现，以及基于嵌入式实时操作系统a c o s 一1 i 的软件 的实现，并对其中的关键技术进行了必要的论述。 ( 3 ) 嵌入式以太网数据传输系统的设计及实现根据系统的需求，设计嵌 入式数据采集仪与监控中心远程通信方案，并结合t c p i p 协议的相关理论，给 出了c l i e n t s e r v e r 通信模式的实现方法。 ( 4 ) 远程监测中心管理软件的设计及实现利用图形化编程语言 l a b v i e w ，对监控中心的管理软件进行开发，主要实现了与下位机的远程通讯、 数据的实时显示以及网络共享等功能。 6 一 第一章远程瞌测系统总体设计 第二章远程监测系统总体设计 本章结合系统的需求，首先提出系统的总体设计思想，然后设计系统的总 体功能结构，接着给出了系统的总体结构框架，并论述丫其实现的方案。 2 1 桥梁的特点及系统要求 小沟特大桥位于新广武至原平高速公路上，为左右分离职幅桥型式，左右 幅挢的组成均为：3 0 m ( g l 桥) + ( 5 5 m + 5 x 1 0 0 m + 5 5 m ) ( 主桥卜( 7 x 3 0 1 n ) ( 引桥) ，距离 监控巾心3 0 多公里。要想全面了解掌握其在运营期间，在活载及长期荷载作用 下的实际工作状态，就必须在桥梁的各个重要部位安皱多个不同类型的传感器 俐如：振动传感器、挠度传感器、应变传感器等) ，这些不同类型的多个传感器， 离散的分布于桥梁上组成传感器网络，因此，负责采集这些传感器信息的数据采 集系统必然是分布式系统。另外由于桥梁的空间跨度较大，而且距离监测中心较 远，这就要求这个数据采集系统具有很强的远距离数据传输的能力。 为了能够实现对这屿设施的进行长期的远程、实时、连续、自动监测，这 就要求自动监涮系统其有： ( 1 ) 超强的环境适应能力，大型的基础设施通常分布在荒郊野外，这就要求 监瓣系统必须具有很强野外工作能力，才能保证系统在无a 擅守的情况下长期 稳定的工作： ( 2 ) 远距离数据传输能力，只有数据传输系统具备远距离传输能力， 能满 足大范围，远距离实时监测的需求； ( 3 ) 智能处理能力，以便系统能够按照预l 菠的周期自动控制各种传感器采集 数据： “) 自我修复的能力，系统在出现异常时能够自动重启； ( 5 ) 报警的能力，在设施的某些状态参量超过阈值的时候，能够通过某种方 式报警：以便获得维护与检修的宝贵时间； ( 6 ) 数据存储与查询的能力，系统能够保存长期监测的数据，以便获取对桥 梁长期的1 作状况进行对比，以便做出准确的决策。 7 一 第二章远程监测系统总体设计 2 2 远程监测系统功能设计 作为一个大型结构的远程监测系统，总体设计涉及到的内容是十分广泛的。 首先，需要个合理的架构来包容远程监测中的有关数据采集、数据传输、数 据管理、信号分析等单元，以构成一个实用、高效的系统；其次，它应该有稳 定工作的数据采集站作保证：第三，应该具备一个安全实效的数据通信网络： 第四，远程监测系统必须要有人性化的操作界面，易于工作人员操作、维护、 获取信息；第五，要有设计合理，易于管理和维护的数据库系统；第七，要有 良好的网络服务平台以方便各类人员的使用。 结合上述的需求，此远程监测系统应包括以下几个部分：传感单元，信号 调理单元，数据采集单元，数据传输单元，数据处理、分析、报警、存储单元。 传感单元主要由振动、应变、挠度、温度等各种不同类型的传感器组成，主要 负责收集桥梁各个部位的各种状态参数：信号调理单元主要完成对各个传感器 输出信号的滤波、放大等；数据采集单元将调理后的模拟信号转换成数字信号， 以便以后数据的传输与处理；数据传输单元将转换处理后的数字信号封装成i p 包传输到上位机；上位机将接收到的数据进行实时的显示，并将信号进行简单 处理后，分析看是否超过某项指标的阈值，如果超过闽值就发出报警信号，以 便工作人员对相应问题做出决策。另外，系统还支持多用户同时与采集仪建立 连接，其它的用户可以通过w e b 的形式浏览系统的监控界面，也可以通过网络 来查询，系统的运行的历史数据。 2 ，3 远程监测系统总体结构设计 为了满足系统的上述功能的需求，结合桥梁监测的特点，便于不同种类传 感器组成传感器网络，本设计中采用基于嵌入式以太网的分布式监测方案。在 桥梁的各个重要部位设立数据采集站，每个测站根据采集信号量的多少安装若 干个数据采集仪( 它兼有信号调理、数据采集与数据传输的功能) ，将各个采集 仪组成局域网，与远程监测中心的网络相连，整个的系统的拓扑结构如图2 1 所 刁i ： 一8 一 第二章远程监测系统总体设计 图2 1 桥梁远程监测系统结构图 传感器单元主要由振动、位移、挠度、温度等各种类型的传感器组成，主 要负责收集现场的各种物理量的状态参量。 信号调理、数据采集以及数据传输单元主要完成对传感器输出的模拟信号 的滤波、放大以及对处理后的模拟信号进行a d 转换，并将转换后的数字信号 通过以太网传输到远程监测中心。 监控中心由若干台客户机和一台服务器组成，每台客户机根据授权的不同 可以以不同的方式( 直接的应用程序的方式和w e b 的方式) 实时的观测系统的 运行状态，查看系统运行的历史数据：服务器用来存放采集的历史数据，以便 不同客户的查询。 从图中我们可以看到，由于整个网络都是建立在以太网的基础之上，构成 了一个基于以太网的分布式远程监测系统，因此，它能很好的与企业普遍采用 的商业以太网兼容，从而监测系统就可以与企业的管理、决策相结合，即管理 一9 第二章远程监测系统总体设计 人员在办公室中就能从监测系统中直接获取信息，并根据信息做出相应的决策， 即实现桥梁监测网络与办公管理网络及i n t e m e t 的无缝结合，形成管控一体化的 全开放工业控制网络，另一方面，监测系统采用开放性、标准化和流行的硬件、 操作系统、网络技术，尽可能使用各种计算机技术，可以有效地减少对专用产 品的依赖，减少备品备件的数量，降低运行、维护成本。 2 4 本章小缩 本章首先结台桥梁的特点，提出了系统的设计需求，然后设计了系统的各 个功能单元：传感单元，信号调理单元，数据采集单元，数掘传输单元，数据 处理、分析、报警、存储单元，并采用合理的网络架构将这些w - z 一。单元组成一 个结构合理，功能相对完善的长期的远程实时监测系统。 一1 0 第三章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 第三章嵌入式数据采集与传输单元的硬件设计 本章主要对基于嵌入式a r m 的数据采集与数据传输单元的硬件进行设计 与实现，简要介绍了系统开发的硬件平台，设计出了系统的硬件体系结构，并 对数据采集与数据传输单元的实现过程进行了详细论述。 3 1 嵌入式数据采集与传输单元的硬件结构设计 嵌入式数据采集仪( 即信号调理，数据采集与数据传输单元) 主要实现的功 能是通过传感器实时采集被测对象的数据；对采集数据进行简单的分析与处理； 并与远程的监测中心建立连接，将采集的数据通过以太网传输给监控中心。其 硬件框图如图3 - 1 所示： 嵌入式数据采集 主要功能：信号 调理，数据采集 与传输 i 一一一一+ 一。一一一一一一一 ： ； 传感单元 以 太 网 图3 1 数据采集与传输系统的硬件框图 传感器单元主要由振动、位移、挠度、温度等各种类型的传感器组成，主 要负责收集现场的各种物理量的状态参量。 传感器直接的输出信号一般都很微弱，而且常含有各种杂波，信号调理电 路主要负责对传感器输出的模拟信号进行滤波、放大，以便更真实准确的反映 现场的情况。 数据采集单元主要由l p c 2 2 0 0 与a d 转换器a d s 8 3 2 1 以及辅助电路组成， 主要完成对传感器的输出信号进行滤波、放大以及a d 转换，为以后数据的传 输与处理做好准备。 第三章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 数据传输主要由l p c 2 2 0 0 与以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 组成，主要实现上 下位机的数据交互，在下行方向接受从监控中心发送来的各种控制命令，在上 行方向将经过a d 转换的信号传输到监控中心。 3 2 嵌入式数据采集与传输单元的硬件平台 远程监测系统一般由传感系统，数据采集系统，数据传输系统，计算机软 件系统构成，在此系统中数据采集与传输系统是整个系统的纽带，它关系到整 个系统的稳定性、可靠性。因此，数据采集与传输单元处理器的选择就显得尤 为重要。 本系统的数据采集单元采用p h i l i p s 公司的高性能嵌入式微控制器 a r m 7 t d m i s 设计实现，a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。a r m 具有 体积小、功耗低、成本低、高性能等特点，并且其有1 6 3 2 位双指令集。a r m 广泛应用在1 6 3 2 位嵌入式r i s c 解决方案中，几乎占有嵌入式r i s c 微处理器 市场的7 5 的份额。 a r m 具有以下几种优点： ( 1 ) 这种3 2 位处理器的内核被授权给1 0 0 多家半导体生产商，被全球电子 业界广泛应用，货源充足，各厂家竞争激烈性价比较容易得到保证。 ( 2 ) 核中自带了d s p 功能，既可以执行算法还可以进行事务处理。 ( 3 ) 处理速度不断增加，现在流行的a r m 7 内核执行速度已经达到1 0 0 m 上 下，后续产品据有关报道可高达1 g ，并且指令集完全兼容，日后软件硬件容易 升级。 ( 4 ) 功耗极低，由于a r m 处理器最初是为了手持设备而设计，所以功耗非 常低。 ( 5 ) 操作系统支持广泛，为了在某些场合替代p c 机( 比如p d a ，电子书，机 顶盒) ，基于a r m 的嵌入式操作系统被业界广泛关注，目前a r m 可以支持各 种嵌入式操作系统，包括p c o s ，v x w o r k s 等等。 l p c 2 2 0 0 是款基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s ，并支持实时仿真和跟踪的 m c u 。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低 超过3 0 ，而性能的损失却很小。 l p c 2 2 0 0 采用1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路】0 位a d c 、 1 2 第三章 嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 p w m 通道以及7 6 路g p i o 及多达9 个的外部中断，它们特别适用于工业控制、 医疗系统、收款机控制。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合 于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用【”1 。 其主要性能如下所示： r 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，l q f p l 4 4 封装； ( 2 ) 1 6 k b 片内s r a m ； ( 3 ) 片内b o o t 装载程序可通过u a r t 0 提供在系统下载及编程特性； ( 4 ) e m b e d d e di c e r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件对 前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行； ( 5 ) 多个串行接口，包括双u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ，高速1 2 c ( 4 0 0 k b i t s s ) 和双s p i ： f 6 ) 8 路l o 位a d 转换器，转换时闯低至2 4 4 p s ； ( 7 ) 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、 ( 8 ) 实时钟和看门狗： ( 9 ) 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； ( 1o ) 可设置的外部存储区( 寻址最大范围为】6 m b ，支持8 1 6 3 2 位数据宽 度) ；多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引 脚： ( 11 ) c p u 工作晶振最大为6 0 m h z ，并内嵌可编程锁相环p l l ； 0 2 ) 片内晶振频率范围：l 3 0 m h z ； ( 1 3 ) 两种低功耗模式：空闲掉电； ( 1 4 ) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； ( 1 5 ) 外设功能可单独使能堞止，实现功耗最优化； ( 1 6 ) 双电源 3 3 数据采集单元硬件的设计与实现 3 31a d 转换器的选型 桥梁的变化属于变化相对比较缓馒的物理量，一般的频率为几h z ，根据香 农采样定理：为了避免信息的损失，带宽为石模拟信号必须f f j f , 2 f 。的采样率进j 亍 采样。因此，系统的采样率能达到几十h z 即可，一般的a d 转换器都能满足要求。 第三章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 另外，根据桥梁一般物理量( 例如：振动、挠度、位移等) 的变化幅值一般不 会太大，因此，1 6 位的a d 转换器足以满足系统的需求。 鉴于以上实际需求的情况，同时也为了系统更加稳定、可靠、小型化，本 系统中采用t i 公司的1 6 位a d 转换器a d s 8 3 2 1 。 3 32a d s 8 3 2 1 转换器的特点 a d s8 3 2 1 是美国t i 公司的1 6 位逐次逼近式模数转换器，其主要特性如下 f 1 、1 6 位逐次逼近式a d 转换器； f 2 ) 1 0 0 k 的采样速率； ( 3 ) 超低功耗( 1 0 0 k h z l 拘功耗4 5 m w ；1 0 k h z 的功耗l m w ) ； ( 4 18 引脚的封装； ( 5 、与a d s 7 8 2 2 和a d s 7 8 1 6 的引脚兼容； f 6 ) 具有串行( s p i s s i ) 接口。 3 33 数据采集单元的硬件电路的设计与实现 3 3 3 1 数据采集单元总体硬件接口电路 数据采集单元主要完成对传感器输出的模拟信号进行滤波、放大以及对处 理后的信号的a d 转换，其硬件电路的接口示意图如图3 2 所示： 输 入 信 号 图3 - 2 数据采集单元的硬件电路接口示意图 由于该系统的实现的是多路模拟信号的数据采集，因此，要通过多路信号 转换器切换每一个需要转换的通道，通道的选择由l p c 2 2 0 0 通过i o 引脚来控制： 4 一 第三章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 a d 转换器与i 。p c 2 2 0 0 采用串行s p i 总线方式进行连接。 3 3 3 2a d 转换器的驱动 l p c 2 2 0 0 通过s p i 总线驱动a d 转换器进行数据转换，s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 是全双工的同步串行接口，允许m c u 与各种外围设备以串行方式进行 通信、数据交换。在一个s p i 总线上可以连接多个主机和多个从机，但是在同一 时刻只允许有个主机操作总线，而在数据传输的过程中，总线上也只能有一 个主机和一个从机通信。 s p l 总线一般使用4 条线与外围设备通信：串行时钟线s c k 、主从选择线 ( m o s 】弄口m i s o ) 、从机选择线s s e l 。各个信号的含义如下： f 1 1 s c k 串行时钟，用于同步s p i 接口间数据传输的时钟信号，该时钟总是由 主机产生并且从机接收； ( 2 ) s s e l 从机选择，用于指示被选择参与数据传输的从机，低电平有效； f 3 1m i s o ( m a s t e ri ns l a v eo u t ) 主机输入从机输出； ( 4 ) m o s i ( m a s t e ro u ts l a v ei n ) 主机输出从机输入。 a d s 8 3 1 工作与s p l 模式时的各个信号线及其工作时序如图3 3 所示： c s 一“r e p l e t e o f d 。了二= ! j d c l o c k d o u t 图3 - 3a d s 8 3 2 1 工作时序图 在本系统中，l p c 2 2 0 0 作为s p i 总线上的主机，选择控$ f j a o 使能，产生总 线通讯的时钟，从而驱动a d 进行转换，输出的结果通过d o u t 信号线送到 l p c 2 2 0 0 的信号输入引脚，应该注意的是，输出信号的前6 位为a d 的预采样信 号，应舍去。 3 4 数据传输单元硬件的设计与实现 为了数据传输的稳定性与可靠性，数据传输协议使用最广泛的以太网协议 第三章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 并i t c p i p 协议，因此，最底层的以太网协议的实现就由以太网控制器来负责， 目前，比较常用的嵌入式以太网控制芯片有r t l s 0 1 9 a s 、c s 9 9 0 0 等，本系统采 用嵌入式的以太网控制器r t l s 0 1 9 。 3 ，41r t l 8 0 1 9 a s 简介 r t l s 0 1 9 a s 是专用于i s a 总线接口的高度集成的以太网控制芯片，能简单的 实现p l u ga n dp l a y 并兼容n e 2 0 0 0 掉电等特性。在全双工模式下，如果是连接到 一个同样是全双工的交换机或集线器，就可实现同时接收和发送。这个特性不 仅使传输速率从1 0 m b p s 提高至l j 2 0 m b p s ，同时避免了在执行以太网c s m a c d 协 议时更多的冲突的发生。而m i c r o s o f t s p l u ga n d p l a y 功能就可以为用户减轻对资 源配置的烦恼( 3 k i i i r q 、i oa d d r e s s 等) 。又或者是在一些特殊的场合，为了对一 些不支持m i c r o s o f t sp l u ga n dp l a y 的器件的兼容，r t l s 0 9 1 a s 还可以选择跳线模 式或非跳线模式，其主要性能如下所示： 支持p n p 自动检测模式； ( 蛩支持e t h e r n e t1 1 ； f i e e e 8 0 2 3l o b a s e 5 ，】0 1 3 a s e 2 ，1 0 b a s e t ； 软件兼容8 位或1 6 位的n e 2 0 0 0 模式； 支持跳线和非跳线模式，支持在非跳线模式下的m i c r o s o f t 。sp l u ga n dp l a y 配置： 内建1 6 k s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 支持在全双工模式下的双倍信道带宽； 支持u t p 、a u i 、b n c 的自动检测； 在1 0 b a s e t 下支持自动极性修正； 支持8 路中断请求( i r q ) ； 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； ( 1 ) r t l 8 0 1 9 a s 内部结构。 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质 访问控制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。内部结构如图3 - 4 所示。 远程d m a 接口是指单片机对r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 进行读写的总线， 即i s a 总线的接口部分。单片枫收发数据只需对远程d m a 操作。本地d m a 接口是把r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 一1 6 第二章嵌入式数据采集与数据传输单元的硬件设计 m a c ( 介质访问控制) 逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将 一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l s 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传 送命令；当r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧的发送后，再开始此帧的发送。r t l 8 0 1 9 接收到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存到接收缓冲区；收满 1 s a 图3 - 4r t l 8 0 1 9 内部结构框图 一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。f i f o 逻辑对收发数据作 j 6 字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求的频率。 f