（计算机系统结构专业论文）大型土木工程健康诊断系统的设计与实现.pdf

人连理r 人学硕十学位论文 摘要 大型土木工程项目给人民生活带来便利的同时也产生了巨大的社会经济效益，这些 工程的安全性，尤其是那些事关人民生命财产安全的特大型土木水利工程的安全性保障 问题越来越重要。如何对这些长期承受不利荷载作用下的工程建筑进行有效的健康诊断 已经成为一个重要课题。建立区域监控中心，配合自动化监测终端实现远程安全监控和 预警是今后土木工程健康诊断系统的主要发展方向。 本文分析了目前国内外土木工程健康诊断系统的现状，发现国内自动化监控系统发 展的不足，尤其是监控终端数据采集仪严重依赖进口，价格昂贵、不易使用而且难于维 护。而国内自行研制的设备大多功能单一，只能针对某特定类型传感器，以致一个大型 土木工程需要使用很多种数据采集设备，造成管理非常混乱。本文根据尼尔基水利枢纽 安全监测系统这一实际项目的需要，提出了一个基于多种通讯网络、具有较强可靠性的 通用监控终端系统，满足了用户的需求，并为类似项目提供了一个良好的平台与设计思 想。 本系统充分运用现代嵌入式技术、通讯技术和土木水利工程安全监测技术，根据功 能及系统可扩展性等因素，采用松散耦合模块化设计方法，以3 2 位a r m 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 为硬件核心，裁剪并移植了嵌入式l i n u x 操作系统，使用m i n i g u l 平台开发图 形用户界面，配合机械防雷技术、隔离供电技术、高精度a d 技术以及s m s ( 短消息服 务) 和光纤数据传输等技术实现。该系统目前已在尼尔基水利枢纽运行5 个月，运行稳 定，反馈效果良好。 关键词：健康诊断；$ 3 c 2 4 1 0 ；嵌入式l i n u x ；m i n i g u l ；s m s 火连理1 ：火学硕十学位论文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh e a l t hd i a g n o s i ss y s t e mf o r l a r g e - - s c a l ec i v i le n g i n e e r i n g a b s t r a c t l a r g e - s c a l ec i v i le n g i n e e r i n gp r o j e c t sm a k ep e o p l e sl i v e sm o r ec o n v e n i e n t t h e ya l s o p r o d u c eag r e a ts o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i ta tt h es a m et i m e t h es a f e t yg u a r a n t e ei s s u eo f t h e s ep r o j e c t s ，e s p e c i a l l yr e l a t e dt op e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t ys e c u r i t y ，i sb e c o m i n gm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t i th a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u et h a th o wt oi m p l e m e n ta l le f f e c t i v eh e a l t h d i a g n o s i sf o rac o n s t r u c t i o nu n d e ral o n g - t e r me f f e c tb yv a r i o u sa d v e r s el o a d s t h em a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh e a l t hd i a g n o s i ss y s t e mf o rc i v i le n g i n e e r i n gi st or e a l i z er e m o t e s a f e t ym o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gt h r o u g hs e t t i n gu pr e g i o n a lm o n i t o r i n gc e n t e r sa n d a u t o m a t e dm o n i t o r i n gt e r m i n a l s t h i st h e s i sa n a l y z e st h es t a t u sq u oo fh e a l t hd i a g n o s i ss y s t e mf o rc i v i le n g i n e e r i n gb o t h a th o m e l a n da n da b r o a d ，a n df i n d st h ed e v e l o p m e n t a ls h o r t a g eo fd o m e s t i ca u t o m a t e d m o n i t o r i n gs y s t e m ，i np a r t i c u l a rt h ed a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t so fm o n i t o r i n gt e r m i n a la r e h e a v i l yd e p e n d e n to ni m p o r t s ，a l s oe x p e n s i v ea n dd i f f i c u l tt ou s ea n dm a i n t a i n m o r e o v e r ，a m a j o r i t yo fd o m e s t i cs e l f - d e v e l o p e de q u i p m e n t sa r ej u s ts i n g l e f u n c t i o n a la n do n l yf o ra p a r t i c u l a rt y p eo fs e n s o r , s ot h a tv e r yw i d et y p e so fd a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e sn e e dt ob eu s e di n o n el a r g e - s c a l ec i v i le n g i n e e r i n g ，r e s u l t i n gi nav e r yc h a o t i cm a n a g e m e n t a c c o r d i n gt ot h e a c t u a ln e e d so fn i e r j ih y d r o l o g i ch i n g es a f e t ym o n i t o r i n gp r o j e c t , t h et h e s i sh a si n t r o d u c e da h i g h - r e l i a b i l i t y ，a l l - p u r p o s em o n i t o r i n gt e r m i n a ls y s t e mb a s e do nav a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，t h es y s t e mm e e t st h en e e d so fu s e r sa n dp r o v i d e sag o o dp l a t f o r ma n dd e s i g ni d e a t ot h es i m i l a rp r o j e c t s t h i ss y s t e mf u l l yu s e sm o d e me m b e d d e dt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d s a f e t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fc i v i le n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n sa n d e x p a n s i b i l i t y ，al o o s e l yc o u p l e dm o d u l a rd e s i g nm e t h o di su s e d t h es y s t e mu s e s3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 10a si t sh a r d w a r ec o r e ，r e d u c e sa n dt r a n s p l a n t se m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，u s e sm i n i g u ip l a t f o r mt od e v e l o pg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e i ta l s ou s e s p h y s i c sl i g h t n i n gp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ，i s o l a t e dp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ，h i g h - p r e c i s i o n a dt e c h n o l o g y ，a sw e l la ss m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) a n df i b e r - o p t i cd a t at r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y t h es y s t e mh a sb e e no p e r a t e di nn i e r j if o r5m o n t h s ，r u n n i n gs t a b l ya n dg e t t i n g e f f e e t i v ef e e d b a c k k e yw o r d s ：h e a l t hd i a g n o s i s ；$ 3 c 2 4 1 0 ；e m b e d d e dl i n u x ；m i n i g u hs m s 火连理1 ：人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 厶型墨盘遂坌建趁幽红丝坠盗聋芝塞垒坚 作者签名： 二蛰= 豸 白期：箜丝军笠月上生日 导师签名：益丝鱼日期：巡年旦月卫日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：五翌垂尘乏焦徨焦盗幽鱼逊盗丑遗盈型 作者签名： 丛二冱日期：巡年j 旦月上互日 人连理j1 人学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1课题背景与实际意义 大型土木水利工程是国民经济中的基础产业和基础设施，在社会经济生活和建设中 起着重要的作用。随着经济的发展，土木水利工程建设发展迅速，并且取得了举世瞩目 的成就。仅以水利工程为例，建国以来，我国共修建堤坝8 6 万多座，水库总蓄水量超 过5 0 0 0 亿立方米，相当全国总径流量的六分之一，水库大坝数量及其堤坝长度均居世 界之首，这些堤坝保护着3 亿多人口，4 亿多亩良田和上百座城市的防洪及供水安全， 同时在航运、发电、养殖等方面也发挥了巨大的效益。 然而，有些大坝由于建设较早或受当时坝工技术的限制已出现安全隐患；有些大坝 由于运行管理过程中不能及时发现缺陷并采取相应措施，导致安全风险增大。据水利部 和原国家电力公司对所属大坝的安全定期检查，发现有三分之一是病险坝，还有一些大 坝正在老化和病变。这不但影响了工程效益的发挥，也直接威胁着下游群众的生命财产 安全。特别是现在在建或将建的大坝中高坝大库越来越多，一旦失事将带来重大灾难。 截止1 9 8 0 年的统计，我国总溃坝率高达3 左右，而大型水库2 座失事，其溃坝率亦达 o 6 ，而中小型溃坝较多，约在4 左右，我国水库大坝的座数及溃坝率都居世界前列。 国内外溃坝率己从本世纪初的高峰降至目前的o 2 左右或稍低，近年来大坝的安全已 大有改进，但目前大坝的安全状况还有待进一步改善i l 】。因此除了进一步完善大坝的设 计和施工外，做好大坝安全管理和安全监测工作至关重要。 为监测大坝安全状况，大坝内一般都布置了温度、湿度、倾角、变形、渗流、应力 应变等多种传感器，监测点多达成百上千个，甚至上万个，数据采集、处理、分析工作 量很大。为此借助计算机建立大坝安全监测系统对采集的数据进行快速的处理、分析己 成为大坝安全管理不可缺少的方面。随着微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发 展，大坝安全监测领域也逐渐告别了落后的群防群测，进入半自动化甚至完全由计算机 代替人来实现全自动化大坝健康诊断的时代。利用这些先进技术建立起大坝群安全监测 和管理的远程网络系统，对水库大坝进行统一安全管理、监测、分析评价和远程诊断， 可以充分利用各种资源和条件，更加及时、准确、有效的评估大坝安全状况，可以充分 利用现有的监测设备和数据资料实现资源共享，使监控系统的维护管理和升级变得方 便，并可实现远程管理，能够充分利用异地专家的知识和经验对各大坝安全状况和异常 险情做出客观、专业的评价，提高大坝安全的管理决策水平，推进大坝安全管理的现代 化和信息化。 人裂十术一l ：科健康诊断系统的设计与实现 嫩江是松花江的北源，发源于大兴安岭山脉右麓的伊勒呼旱山，河源海拔高程1 0 3 0 米，河流全长1 3 7 0 公里流域总面积为2 9 7 万平方公里。1 9 9 8 年嫩江流域发生了百年 不遇的特大洪水，直接经济损失超过4 0 0 亿元。为此国家十五计划批准在嫩江干流修建 尼尔基大型水利枢纽，该工程坝址位于北方高寒地区的黑龙江省与内蒙古自治区交界的 嫩江干流上，左岸为黑龙江省讷河市，右岸为内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗， 控制流域面积6 6 4 x 1 0 5 , m 2 ，占嫩江流域面积的2 2 4 ，多年平均径流量占嫩江流域的 4 5 7 ，是国家实施西部大开发战略的标志性工程项目之一，具有防洪、工农业供水、 发电、航运、环境保护、鱼苇养殖等综合效益，也是实现“北水南调”的重要水源工程。 由于尼尔基水利枢纽水库总库容达8 6 1 1 1 0 8 m 3 ，枢纽的安全运行是保障下游齐齐哈尔、 大庆、哈尔滨及其它多个县市几千万人民的生命财产安全的必要，枢纽一旦失事将造成 无法估量的损失。 为此，充分利用现代计算机嵌入式技术、自动化监控技术和通讯技术，对尼尔基水 利枢纽工程实现集数据采集、数据管理、信息分析和辅助决策于一体，实时监测和馈控 枢纽安全运行状况，为尼尔基水利枢纽及上级有关管理部门对枢纽安全状况做出准确而 高效的评判及决策提供可靠的依据，以充分发挥工程的效益。同时也使得本系统在我国 土木水利行业成为先进的、现代化的健康诊断自动化管理系统。 1 2 国内外发展现状及分析 在国际上，发达国家己充分利用现代信息技术建立了较为完善的大坝群安全监控系 统，尤其美国、葡萄牙、西班牙、法国等在大坝安全监测方面有较长期的应用实践，在 国际上有较大影响1 2 】，同时大坝安全分析评价和日常管理也越来越借助远程网络实现， 通过监控中心分析评价模型和专家诊断系统1 3 】可在网上对各大坝进行分析评价和异常诊 断，并提出决策方案。 法国电力公司开发的大坝监测处理系统管理着1 5 0 多个大坝的监测数据，算是较大 型的大坝群安全监控系统。美国t o i t 大坝1 4 位于西雅图附近，其监控中心设在西雅图市， 大坝各测点的监测数据及其它环境水文数据或通过无线方式发送到测点控制单元 ( m c u ) ，然后由t o i t 大坝水电厂中心监控计算机将m c u 中的数据读出，其中m c u 和 监控计算机之间为光纤连接，或者由手持计算机从现场m c u 中读数，再将其下载到水 电厂中心计算机中，而位于西雅图市的监控中心则通过m o d e m 和电话线从水电厂中心 计算机获取数据。监控中心有若干数据库服务器和工作站组成一个局域网，可利用各种 分析软件对监控数据进行分析评价，对大坝安全性态做出判断。 人连理i ：人学硕十学位论文 可见，目前国外大坝安全监控系统正在借助计算机网络及现代通信手段，通过建立 区域性或全国性的大坝群安全监控中心，实现数据的远程传输、远程分析评价、远程会 诊反馈和远程决策，以及提供网上查询及报表发布等，对大坝实现集中统一和高效的管 理。就监控终端采集仪的发展来看，国外开展具有通用性的水工建筑数据采集自动化设 备的研制始于2 0 世纪6 0 年代末1 5 】。目前国际上有代表性的系统有美国c a m p b e l l s c i e n t i f i c 公司的c r 系列数据采集系统，美国g e o m a t i o n 公司的2 3 8 0 系统以及畅销全 球5 5 个国家的澳大利亚智能可编程数据采集仪d a t a t a k e r 等，但这些采集仪的价格动辄 数万元，有的甚至数十万元，并且由于需要专业人员在实际安装使用时对仪器进行编程 而难以在国内普及。 在国内，许多企业和学者在大坝的安全监测作了大量的研究工作，并丌展了一系列 的自动化改进工作，但基本上还未完全实现自动化和网络化监测。主要依靠现场人工观 测来进行观测数据采集工作，该工作方式有较多的问题： ( 1 ) 现场观测需要大量的人力，危险系数大并且不可避免的使采集得到的数据存在 人为误差。 ( 2 ) 由于工程安全监测设置项目比较齐全，测点较多，直接导致人工观测工作量大， 观测周期长，无法做到及时掌握工程建筑物的工作性态，保证工程安全运行的要求。 ( 3 ) 人工观测采集到的观测数据还需要人工输入计算机中，需要人工进行整理计算， 在整理计算过程中如果发现原始观测数据或计算结果有问题，只能回到现场重新观测。 ( 4 ) 由于没有相应的数据整编软件，所有的数据整编及管理工作( 如观测数据的月 报、年报、图形等) 都必须由人工完成，导致观测资料整编分析工作强度加大及分析结 果无法及时上报。 ( 5 ) 由于没有相应的数据分析软件，整编完成的数据无法进行深入、系统的数据分 析工作，不能满足观测数据及时分析的要求。 在枢纽汛期高水位时，要求枢纽观测频次加密，现场观测工作将更为紧张，劳动强 度更大。由于人工观测的数据入库比较缓慢，观测数据得不到及时处理，上级主管部门 及各级领导将无法及时了解枢纽的工作性态，严重影响流域防汛指挥的调度与决策。虽 然一些企业如北京木联能工程科技有限公司、南京南瑞集团都开发了自己的数据采集 仪，不过都因为没有很好的通用性和较为高昂的价格没有得到普及。 针对这些问题，本文结合现代嵌入式系统设计技术和先进的通信方式，自主开发设 计了一个性能较高、适用范围较广、便于使用、便于扩展、稳定性较高的自动化土木工 程健康诊断系统。此项目是和中国水利部东北勘探设计院共同完成的，本人的任务是整 个系统的监控终端机及网络通讯系统的研究设计与实现。 人型十术1 ：科健康诊断系统的设计与实现 1 3 本文内容与结构 本文介绍了一个完整的基于网络的自动化健康诊断系统，主要包括区域监控中心和 现场监控终端两部分，其中重点介绍了基于3 2 位微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式l i n u x 操 作系统的监控终端子系统的设计。系统通过高性能的嵌入式终端设备和相关的网络技 术，实现了一个集数据采集、数据处理、数据传输、故障报警等功能于一体的高可靠性、 较强通用性的监控终端数据采集子系统。 本文的内容和结构如下： 第一章绪论。简要介绍了本课题的应用背景及实际意义，并在分析了国内外发展 现状的基础上提出了自己的设计。 第二章系统总体方案设计。根据用户的需求，介绍系统的整体结构与主要功能。 第三章监控终端硬件系统设计。详细介绍了系统的监控终端的设计方案，主控模 块的介绍中包括核心板和扩展板的设计，数据采集模块重点介绍数据采集电路的设计方 案，防雷系统包括供电系统防雷，通讯系统防雷和传感器信号线防雷设计。 第四章软件系统设计。介绍本系统软件的整体功能与设计方案，包括嵌入式l i n u x 操作系统的移植和设备驱动程序的开发、m i n i g u i 图形用户界面设计以及通信协议的制 定等，用户程序开发中重点介绍数据采集部分软件流程。 第五章系统测试。包括功能测试、性能测试、易用性测试和稳定性测试，并给出 测试方案与测试数据。 最后，是对本次开发设计的土木工程健康诊断系统的总结以及对该系统应用前景的 展望。 火连理7 1 ：火学硕十学位论文 2 系统总体方案设计 随着数字技术的发展和体积更小的控制芯片以及功能更强的操作系统的出现，嵌入 式技术已经被广泛应用在人们的日常生活中。目前，嵌入式产品已经在很多领域得到广 泛的使用，如：国防、工业控制、通信、办公自动化和消费等领域。本文设计的大型土 木工程自动化健康诊断系统是利用3 2 位嵌入式a r m 9 微处理器搭建硬件平台，并移植 嵌入式l i n u x 操作系统，开发具有高性能、高可靠性、方便扩展的网络化监控系统。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。目前嵌入式系统已经渗透到我们生活中的 每个角落，工业、服务业、消费电子，而恰恰由于这种范围的扩大，使得“嵌入式系统” 更加难于明确定义。 根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、 机器和设备运行的装置 ( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系 统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定 义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统1 6 j 。 这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才 会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入式系统 是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统的需求进行合理的裁减 利用。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体 应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定位。例如 p a l m 之所以在p d a 领域占有7 0 以上的市场，就是因为其立足于个人电子消费品，着 重发展图形界面和多任务管理；而风河的v x w o r k s 之所以在火星车上得以应用，则是 因为其高实时性和高可靠性。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠 性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上开发出 人型十术：r 稃健康诊断系统的设计与实现 适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往往是一个 只有几k 到几十k 微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微 内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌 入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统【7 】，而且有时很难以给它下一个准确的定义。 现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式系统， 本文在也沿用这一观点。 一般而言，嵌入式系统的构架可由嵌入式处理器、相关硬件、嵌入式操作系统和应 用软件等部分组成，具体将在后面的章节中介绍。它可应用于家电市场、工业市场、商 业市场、通讯市场和国防市场，应用的产品形态丰富多样，例如掌上电脑、机顶盒、数 字电视、数字音像设备、手机、可视电话、车载智能设备、数控机床、商业终端、教育 终端、智能控制设备等，而工业控制是嵌入式系统重要的应用领域1 8 j 。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机 及嵌入式软件组成。嵌入式体系结构如图2 1 所示。嵌入系统有三个明显的特征：专用 性、实时性、可靠性【9 】。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务，可 以针对用户的需求对系统的软硬件进行裁减。实时性是指与实际事件的发生频率相比， 嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件或用户的干预做出响应。可靠性是指嵌入 式计算机嵌入到系统或设备中，用户一般不直接接触控制，因此一旦工作就要求它可靠 运行。 嵌入式应用程序 中间件 嵌入式操作系统 b o o t l o a d e r 嵌入式处理器外围设备 嵌入式硬件平台 图2 1 嵌入式系统的体系结构 f i g 2 1 a r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m 人连理+ 1 ：人学硕十学位论文 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发 展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片 生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可 靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算 机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征【lo 】： ( 1 ) 系统内核小。 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之 传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k ，而w i n d o w s 的内核简直没有可比性。 ( 2 ) 专用性强。 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬 件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和 增减不断进行修改，裁减软件中操作系统的内核。同时针对不同的任务，往往需要对系 统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是 完全不同的两个概念。 ( 3 ) 系统精简。 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上 过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性。 高实时性的系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速 度；软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 多任务。 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应 用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软 件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。 由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程 序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是 基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往 火型十小：i ：程健康诊断系统的设计与实现 有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机开发时需要 交替结合进行。 ( 7 ) 嵌入式系统软硬件结合紧密。 在嵌入式系统软硬件体系结构内部，各层次、模块之间的耦合度比通用计算机强， 这是嵌入式系统要求高效的结果，而通用计算机出于可扩展等要求更强调系统的模块 化、层次化和标准化。 2 2 系统整体结构 2 2 1总体规划设计的目的与要求 根据水电站大坝安全监测设施更新实施规划、大坝安全监测自动化系统实用 化验收细则等文件并结合国内与国际工程安全监测自动化发展现状，客户对该自动化 健康诊断系统提出如下要求： ( 1 ) 根据工程实际情况采用成熟可靠的技术和设备实现全部自动化观测，并实现系 统的模块化，这样在系统发生故障时便于调试与更换。 ( 2 ) 开发完善的自动化数据采集系统及掌上机数据录入系统，实现工程安全监测的 全面自动化。 ( 3 ) 利用当前先进的网络技术，开发完善的远程测控系统，通过在齐齐哈尔设立远 程监测管理中心站及在长春设立远程维护中心站，实现枢纽工程安全监测系统的远程监 测、远程管理及远程维护功能。 ( 4 ) 建立完善的数据管理体系，开发基于大中型数据库的数据管理系统，实现安全 监测数据管理的自动化。 ( 5 ) 完成枢纽结构性态及安全监控指标的研究、确立及在线分析检验，实现资料分 析的自动化。 ( 6 ) 与管理局m i s ( 管理信息系统- m a i l a g 锄e mi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 及松辽水利委 员会联网并满足其数据w e b 发布要求。 一 2 2 2 整体结构设计 根据用户的要求，将该系统按功能主要分为三部分来实现：监控中心、现场监控终 端以及自动化通讯网络三个子系统。具体结构框架如图2 2 所示，各模块介绍如下： ( 1 ) 监控中心 监控中心是整个系统的顶层应用，负责统一协调各个模块的工作，例如控制现场终 端系统进行自动化数据采集，对采集到的数据进行异常测值检测，控制通讯网络的正常 大连理一i ：大学硕十学位论文 工作等。专家、工作人员以及维护人员可以通过计算机终端登录监控中心服务器进行在 线分析和离线分析以及对整个系统进行调试维护。同时将该服务器作为网关接入 h a t e m e t ，进而与齐齐哈尔和长春的网络中心站进行互联，实现真正的远程监控与远程管 理功能。 图2 2 系统结构框图 f i g 2 2s y s t e ma r c h i t e c t u r ef r a m e w o r k 人型十术t 稃健康诊断系统的设计与实现 ( 2 ) 现场监控终端子系统 该系统是整个监控系统的核心，因为再好的安全分析算法没有准确稳定的数据采集 也是空谈，同时由于该系统与现场恶劣环境直接接触，可靠性及稳定性的保证决定了整 个系统的质量，再者就是整个系统能否实现价格低廉以及较强的通用性也耿决于该系统 的设计与实现。 综上所诉，此嵌入式系统的质量主要依赖于现场监控终端子系统的设计。本系统的 开发是以3 2 位微处理器s 3 c 2 4 1 0 为硬件核心，嵌入式l i n u x 作为操作系统，提供r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 、r j 4 5 以太网口等标准接口，很方便的与监控中心进行互联【l 。同时配有3 2 0 2 4 0 t f t 真彩色l c d 显示屏，可以为用户提供一个友好的界面，方便了现场安装调试和人 工采集操作。为了对暂时不能传输到监控中心的数据进行临时存储，本系统也增设了扩 展存储器，采用s d 卡来实现。本系统的主要功能如下： 用于接收监控中心下达的指令并按相应的指令完成数据采集任务，数据采集要 求精度高且稳定性好。 将采集到的数据经过换算整理后或存储在本地存储器中，或经过网络传给监控 中心进行进一步分析。 在本地对采集到的数据运用异常测值检测算法进行分析、及时发现大坝存在的 安全隐患并向监控终端服务器或移动终端报警。 提供定时、单检、巡检、选测或任设测点群多种观测方式，为人工观测提供方 便。 提供很好的防雷功能，避免雷电通过传感器信号线、通讯线或电源线进入而损 坏系统。 具有很好的通用性和扩展性，能够根据设定采集多种类物理量，以期应用于更 多类似项目，并逐渐显现平台效应。 具体的软硬件实现将在后续章节中介绍。 ( 3 ) 通讯网络 ， 本系统在网络方面支持两种网络：一种是光纤数据通讯，不管监控中心与监控终端 之间以r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r j 4 5 以太网口中的哪一种进行通讯，在进入通讯网络时都要转 换成光纤数据通讯，系统采用光缆通讯方式，主要是基于防雷考虑。各个监控终端都设 定了系统中唯一的地址，通过自定义通讯协议，可以很方便的扩展网络节点。另一种就 是以g s m 网络为传输媒介，实现随时随地移动控制，可以接受用户移动终端的命令以 及把系统运行状态等信息随时发送到用户的移动终端，使用户能随时了解系统的运行状 况。 火连理l ：人学硕十学何论文 2 3 系统功能介绍 “系统”是一个以计算机网络、分布式数据库、多媒体应用、数学模型技术和人工 智能技术为基础的，为尼尔基水利枢纽服务的安全监控系统。系统采用决策支持系统较 通用的“四库三功能 体系【1 2 1 ，包括：数据库( 含图形库和图像库) 、模型库、方法库、 知识库、综合信息管理子系统、综合分析子系统、输入输出( i o ) 子系统。总体功能如图 2 3 所示。 广域网传输声光警报 图2 3 系统功能框图 f i g 2 3 s y s t e mf u n c t i o nf r a m e w o r k “四库三功能 体系的底层，是各种类型数据库( 含图形库和图像库) ，用来实现对 安全监测工程的观测数据、仪器参数，以及其它各种以数据、文件、图形、表格、多媒 体等形式存在的信息资料的全面管理，为系统中上部的方法、模型、推理提供基础数据 支持。本系统设有原始观测数据库、新测库、现实( 或分析) 数据库、整编数据库、生成 数据库、人工巡视库、仪器( 参数、特性和信息) 库、模型管理库、指标知识库、静态数 据库( 包括：工程对象信息库表、工程档案库表等) ，以及文件、图形、图像、多媒体等 综合管理资料库。数据库系统是整个系统运转的基础，也是系统“四库三功能”体系中 的最重要组成部分之一。 人型十本。i ：稗健康诊断系统的设计与实现 系统中部是方法库、模型库和知识库，是安全监测领域经验和知识的集成，包含了 安全监测工程数据处理分析、建筑物安全稳定分析评判和预报的各类方法、模型和知识。 其中的方法库可向系统提供数据处理整编、推理分析、监控数学模型、综合评判等工作 中需要的各种计算分析评判方法，特别是其中包含土石坝安全稳定分析评判十分重要的 有限元正反分析及其模型化方法。本系统的模型库包含统计分析模型、一维分布模型和 混合性模型三类数学分析模型，它们是现代安全监测技术的重要发展，是异常状态的发 现、分析、预报、评判的有力手段。知识库包括指标和规则两类，指标类知识可以用数 据库方式进行管理，称为“指标知识库 ，是异常状态检验评判的基本标准之一；规则 库是经采集整理和逻辑化后领域知识的表现形式，被人工智能推理调用。以上三库的丰 富程度和潜力大小很大程度上决定了系统分析预测和评判功能的强弱。 位于框图上部的综合分析推理子系统以在线检测监控和离线分析评判两种方式工 作，通过调用数据库中的观测数据和相关信息，应用方法库、模型库、知识库中各种方 法工具，对安全监测的基本对象：测值和仪器的状态、建筑物的安全稳定性、关键技术 问题等进行分析推理评判，为安全监测的技术决策提供辅助支持。综合分析推理子系统 一般要在人工智能或专家系统引导下开展工作，是系统的技术关键和难点所在，它的构 建的方式方法，决定了系统解决实际工程问题的能力和水平。当前，综合分析推理子系 统的构建技术已研发了问题链推理机制、正反分析的模型化，因果关系网络、物理过程 模型等行之有效的先进技术和方法，本系统综合分析推理子系统的构建的中心工作是如 何将已有的先进技术和方法与尼尔基土石坝安全监测工程实际结合起来，以便为尼尔基 工程提供较全面的、决策支持系统级的服务。 功能体系中综合信息管理子系统的基本功能是：在系统数据库基础上，实现对安全 监测工程需要的观测数据以及其它各种信息资料的管理。该子系统与数据库密切相关， 应提供各种数据库以及数据库所存储信息的输入、查询、排序、输出等各种基本功能。 子系统同时要考虑各类数据库和信息的特点，从数据处理、分析、整编，以及方法、模 型、推理需要角度，补充、改进或强化其它一些对各类信息的管理功能，例如观测数据 的图表绘制功能，整编处理功能，报告文件的拼接功能等，以使其能够在系统中发挥更 大的作用。 输入输出( i o ) 子系统是为软件主体系统提供输入输出功能服务的辅助系统。其中， 输入子系统功能是各数据库中各种数据、信息和资料的入库工作，实际上也是数据库附 属的一项基本功能。在各类输入功能中，观测数据的输入( 包括自动采集、批量导入、 半自动手工采集仪录入传输和人工输入等) 工作量最大，且只与观测数据库关联。特别 是观测数据的自动采集输入，与硬件形式密不可分，有较强的独立性，一般将其与数据 大连理j i j 大学硕十学位论文 库主体分开，形成“数据采集”和“数据库主体”分开的“双闭环 结构。输出子系统 是系统需要统一向外部提供，并要求调用打印、制图、声像、通讯等外设的各种输出功 能，如各类观测项目报表和图示、分析成果报告、工程图形和图像输出、多媒体组合信 息输出等。输出子系统是本软件与外界交往，向有关单位提供成果服务，向上级机关提 交成果报告的最主要的方式，输出子系统的功能和输出成果的质量在相当程度上反映了 整个系统的水平。 人型十水：程健康诊断系统的设计与实现 3 监控终端硬件系统设计 由于监控中心与监控终端采用计算机局域网络环境下的客户端服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 体系结构，而监控中心服务器可以用高性能的工控机或p c ，甚至小型机 来担当，所以整个系统的硬件设计任务主要落在了监控终端子系统的硬件开发上。 3 1硬件系统的总体设计方案 由于设计时需要综合考虑系统的升级、维护，如果可能，还需要考虑相似系统的通 用性等原因，监控终端采用模块化的硬件设计方法，利于在调试过程中实现分块调试， 如果实际使用中需要修改或者升级某个功能模块，只需重新设计该部分电路板即可，在 系统损坏时也只需更换或者屏蔽损坏的部分电路。在进行类似的项目设计时，也可以直 接使用前一次设计好的模块，具有一定的重用性。对于本系统的设计，考虑到数据采集 部分可以独立出来作为手持设备单独使用或是替换为国内外通用的数据采集仪，将监控 终端分为双蓄电池隔离电源模块、主控模块、信号前端输入模块、数据采集模块。监控 终端的硬件设计如图3 1 所示。 其中，供电系统和信号前端输入模块的设计将在防雷系统设计一节详细介绍。 主控模块以$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器为核心，主要负责处理监控中心发送的命令、控 制信号输入模块和采集模块、对采集到的数据进行分析、及时发现大坝存在的安全隐患 并向服务器或移动终端报警，同时提供定时、单检、巡检、选测或任设测点群多种观测 方式。由于从采集模块返回的数据是传感器输出的原始值，主控模块将对这些数据进行 换算处理，得到最终工程需要的格式存储在本地数据库中，以备日后通过光纤或人工手 动将这些历史数据传输到服务器上。本模块采用s d 卡作为本地存储介质，$ 3 c 2 4 1 0 处 理器片内集成了s d 卡控制模块，使得s d 卡的读写不必采用i o 口模拟控制方式，大 大方便了系统设计。 信号输入模块该模块以超低功耗1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，主要功能为根 据主控模块发送的命令负责传感器信号的输入、隔离以及通过控制继电器阵列选通通 道、将选通的可被采集模块采集的信号直接送往采集模块。该模块还增设人工测量接口， 即手动控制步进电机运动和选通通道，以便于在系统建设和故障检测时能手工验证传感 器是否正常。 数据采集模块是参考d a t a t a k e r 乃1 的功能与工作方式设计的。以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为控 制核心，运行i _ t c o s i i 操作系统，接收主控模块发送的采集指令并根据指令进行具体的 采集工作，将采集到的数据经由内部通讯总线返回给主控模块。信号分配器是一些电磁 人连理i ：火学硕十学位论文 继电器，将输入信号按种类不同送往不同的采集单元进行测量，同时也能防止各采集单 元间相互干扰，影响测量精度。 信号输入模块 数据采集模块 图3 1 系统硬件框图 f i g 3 1 s y s t e mh a r d w a r ef r a m e w o r k 人型十小1 科健康诊断系统的设计与实现 这些模块之间的联系纽带是内部供电总线和内部通讯总线。供电总线受主控模块控 制，当系统处于空闲时，主控模块就会切断信号输入模块和数据采集模块的电源并且将 自身的外设关闭，从而进入低功耗模式，实现整个系统的低功耗运行。当收到监控中心 命令或是有定时采集任务要执行时再将关闭的外设和其他模