（通信与信息系统专业论文）桥梁数据采集分布式系统研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 桥梁是交通运输系统中的重要组成部分，确保桥梁结构的安全性就显得极 其重要。目前，很多桥梁的检测工作主要还是定期的人工检测。但定期人工检 测的局限性比较多：不及时、精度不高、检测不全面、工作强度大。利用现代 通信技术，对桥梁结构进行实时监控和智能化评估以及必要养护，对分析桥梁 使用的寿命是十分必要的。为桥梁养护、维修与管理决策提供科学的依据。在 未来，桥梁健康监测系统将成为大型桥梁安全保障体系的发展趋势。 桥梁健康监测系统一般由数据采集系统和结构健康状态的安全评估系统两 个子系统组成，而其中的数据采集子系统是整个监测系统的基础。桥梁健康监 测系统能否对桥梁结构的健康状态做出正确的评估，能否为桥梁管理和维修提 供科学的依据，取决于数据采集系统能否采集到准确的、可靠的、有代表性的、 能如实反映结构状态的各种特征信息。 本文提出了一种桥梁数据采集分布式系统，可以很大程度上解决以往桥梁 监测存在的问题。本文首先分析了桥梁数据采集的研究背景及其意义，接着介 绍了系统设计的整体方案，然后主要研究了基于c a n 总线的桥梁数掘采集分 布式健康监测系统的具体实现。系统研究了分布式数据采集系统的组成，并重 点对其硬件以及软件的实现进行了研究。 本文的主要内容是对系统的硬件与软件的实现进行了深入的研究。其中 c a n 数据采集节点的设计为本文的重点。基于分布式系统对硬件要求不高的特 点，选用了兼容性较好的a t 8 9 c 5 2 作为主控制芯片。其中的c a n 控制器采用 常用的飞利浦公司的s j a l 0 0 0 ，c a n 驱动器采用p c a 8 2 c 2 5 0 芯片，a d 转换 芯片采用t l c 2 5 4 3 ，使用了光耦隔离电路对信号进行隔离。软件方面完成了 c a n 总线的初始化、报文的发送与接收等方面的设计。文章还涉及到了上位机 适配卡的硬件以及软件的设计。适配卡采用了性能好、传输速率快的p c i 总线 协议。 桥梁数据采集分布式系统将现代工业总线和桥梁健康监测有机的集合在 一起，是本文的一个亮点。本系统具有很强的实用性，除了可以应用于桥梁数 据采集外，对于其他环境比较复杂的工业现场具有一定参考价值。 关键词：桥梁数据采集，分布式系统，c a n 总线，适配卡 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r i d g ei s a ni m p o r t a n tp a r to ft h et r a n s p o r ts y s t e m ，e n s u r i n gt h es a f e t yo f b r i d g es t r u c t u r e si se x t r e m e l yi m p o r t a n t a tp r e s e n t ，t h em o n i t o r i n go fm o s tb r i d g e s i sm a i n l yb yp e r i o d i c a lm a n u a le x a m i n a t i o n h o w e v e r , t h i sm e a s u r eh a ss o m e l i m i t a t i o n ss u c ha sp o o rr e a l - t i m e 、i n a c c u r a t e 、p a r t i a lm o n i t o r i n ga n dw o r k i n gw i t h i n t e n s i t y t a k i n ga d v a n t a g eo fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o m a k ea r e a l t i m em o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n ta s s e s s m e n ta n dt h ee s s e n t i a lm a i n t e n a n c ei s i n d i s p e n s a b l et oa s s e s st h el i f eo fb r i d g e ，w h i c hp r o v i d e sas c i e n t i f i cm e t h o dt ot h e m a i n t e n a n c e ，r e p a i ra n dm a n a g e m e n td e c i s i o n m a k i n go ft h eb r i d g e i nt h ef u t u r e ，a b r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e m sw i l lb e c o m et h en e wt r e n db e t w e e nl a r g e - s c a l e b r i d g es e c u r i t ys y s t e m s b r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mi sg e n e r a l l yc o n s i s t e do ft w os u b s y s t e m s w h i c ha r ed a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e ma n ds e c u r i t ya s s e s s m e n ts y s t e m so ft h e s t r u c t u r eh e a l t h ，a n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e mi st h eb a s i so ft h ew h o l e m o n i t o r i n gs y s t e m w h e t h e rt h eb r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mc a nm a k ea n e x a c ta s s e s s m e n tt ot h eb r i d g es t r u c t u r e sh e a l t h ，w h e t h e ri tc a np r o v i d eas c i e n t if i c m e t h o dt ot h eb r i d g em a n a g e m e n ta n dr e p a i rd e p e n d so nw h e t h e rt h ed a t a a c q u i s i t i o ns u b - s y s t e mc a na c q u i r et h es t r u c t u r ef e a t u r e si n f o r m a t i o nw h i c hi s a c c u r a t e ，r e li a b l e ，r e p r e s e n t a t i o n a la n da c c u r a t e l yr e f l e c t st h es t a t u so fb r i d g e a b r i d g ed a t aa c q u i s i t i o nd i s t r i b u t e ds y s t e mi sc o n c e m e di n t h i sp a p e r ，w h i c h c a nl a r g e l ys o l v et h ep r o b l e m si n a n c i e n t l yb r i d g em o n i t o r i n g t h ep a p e rf i r s t l y a n a l y s e st h eb a c k g r o u n da n di t ss i g n i f i c a n c e ，t h e nt h ew h o l ep r o je c to ft h es y s t e m d e s i g ni sc o n c e r n e d ，i nt h ee n d ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c ht h ec a r r y i n go u to ft h e b r i d g ed a t aa c q u i s i t i o nd i s t r i b u t e dh e a l t h ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc a nb u s t h es y s t e mm a i n l yr e s e a r c h e st h ec o m p o s i n go ft h es y s t e ma n de m p h a s i z e so ni t s c a r r y i n go u to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri st h ed e p t hr e s e a r c ht ot h ec a r r y i n go u to ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e m a n dt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o nn o d eb a s e d l i o nc a nb u si st h ee m p h a s i so ft h i sp a p e r w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e s sd e m a n d i n g o nt h eh a r d w a r ei nt h ed i s t r i b u t e ds y s t e m s ，t h i sp a p e rh s e sa t 8 9 c 5 2 a st h em a i n c o n t r o lc h i pw h i c hw i t hb e t t e rc o m p a t i b i l i t y ，s j a10 0 0i su s e da st h ec a n b u s c o n t r o l l e rw h i c hi sm a n u f a c t u r e db yp h i l i p sc o r p o r a t i o n ，t h ep c a 8 2 c 2 5 0 i su s e da s t h ec a nb u sd r i v e r , t l c 2 5 4 3i su s e da st h ea dc o n v e r s i o n t h es i g n a li si s o l a t e d b yo p t o c o u p l e rc i r c u i t t h ep a p e rh a sc o m p l e t e d t h ei n i t i a l i z a t i o no fc a nb u s ，t h e s e n d i n ga n dr e c e i v i n go ft h em e s s a g e si n s o f t w a r ed e s i g ne t c t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no ft h ei n d u s t r yc o m p u t e ra d a p t e rc a r di sa l s oc o n c e r n e d i nt h ep a p e r p c ib u sp r o t o c o li su s e di nt h ea d a p t e rc a r d sw h i c hi sg o o dp e r f o r m a n c ea n d f a s t t r a n s f e rr a t e t h eb r i d g ed a t aa c q u i s i t i o nd i s t r i b u t e ds y s t e mp u t st h em o d e mi n d u s t r i a lb u s a n dt h eb r i d g eh e a l t h ym o n i t o r i n gt o g e t h e ro r g a n i c a l l yw h i c hi st h eh i g h l i g h to ft h i s p a p e r t h es y s t e mi sp r a c t i c a l ，n o to n l yc a nb eu s e di nt h eb r i d g ed a t aa c q u i s i t i o n s v s t e m ，b u ta l s ow i t hac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei n t h eo t h e ri n d u s t r i a ls i t ew i t h c o m p l e xe n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：b r i d g ed a t aa c q u i s i t i o n ，d i s t r i b u t e ds y s t e m ，c a nb u s ，a d a p t e r c a r d 独创性声明 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诩 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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诩j 意。 研究生( 签名) ：地 嗍掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名) ： i 丛垒 导师( 签名) ： 峰日期 武汉理一l 人学硕士学依论文 第1 章绪论 本章主要介绍了桥梁数据采集的研究背景、意义、国内外发展的动态、本 课题主要研究的内容等。对于桥梁数据采集的研究背景及意义，以及必要性进 行了简单的说明，针对当d 仃桥梁数据采集发展存在的各种问题，提出了本文的 研究方向。 1 1 本课题的研究背景及意义 作为基础设施的桥梁工程，其建设规模越来越大，造价越来越高。并目大 型桥梁在国民经济中和社会生活中起着举足轻重的作用【1 j 。由于自然气候、人 为因素的作用和同益增加的交通量及重车、超重车过桥数量的不断增加，桥梁 结构使用功能的退化的必然发生，在我国经济迅速发展的形势下，对于交通运 输能力的要求也在不断提高，不少桥梁的老化和功能退化己呈现加速的趋势。 对己有桥梁特别是对交通运输有重大影响的大跨径桥梁，进行必要的监测和相 应的养护，对于确保桥梁安全运营，延长桥梁的使用寿命是十分必要【2 j 。为了 避免造成重大的经济损失，力求对桥梁结构进行整体行为的实时监控和结构状 态的智能化评估。在结构经过长期使用或遭遇突发灾害之后，通过测定其关键 性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其是否受到损伤。这对确保桥梁的 运营安全，及早发现桥梁病害，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用【3 j 。 桥梁监测主要有以下的意义： ( 1 ) 确保桥梁安全运营的需要 桥梁监测系统的建立能够反映出桥梁安全状况的关键参数，借此可以合理 地进行交通管制，保障人民生命财产的安全。通过实时或准实时的损伤监测， 自动对大桥运营期间出现的损伤进行定性、定位和定量的分析，对关键的监控 参数值的异常变化实施报警处理，以确保桥梁的安全使用，避免突然性的结构 破坏造成的重大损失，防患于未然。 ( 2 ) 降低桥梁运营的成本的需要 传统的桥梁管理很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系 武汉理t 大学硕十学位论文 统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得 不到及时的反馈。良好的监测系统既能够准确并实时的反映出桥梁健康参数， 可以很大程度上节省维护费用，并且对桥梁系统的适时维修决策、降低桥梁护 养成本提供科学的依据。 ( 3 ) 对桥梁管理者积累经验的必要 我国仅长江上已建成、在建和规划中的大型桥梁超过五十座。还有一些大 型的跨海大桥，比如：已建成通车的杭州湾跨海大桥，规划中的雷州湾跨海大 桥等。这些大型桥梁是沟通南北、经济运行的大动脉，如何用好、管好和养好 这些桥是桥梁工程界和管理部门普遍关心的问题。开展桥梁健康监测工作，研 究桥梁损伤程度、评定桥梁的承载能力与使用寿命，从而改善其使用功能并保 障结构的使用安全，具有巨大的经济效益和社会效益。 1 2 桥梁监测及数据采集的国内外研究动态 由于桥梁健康监测具有极大的科研价值和现实意义，国内外的桥梁专家和 学者很早意识到其重大意义。从2 0 世纪5 0 年代以来【4 1 ，国内外就对桥梁的监 测展开了积极的探索。 1 2 1 国外研究动态 在国外，美国、英国、同本、加拿大和德国等一些发达国家开展了桥梁健 康监测的研究，但是使用传统的测试技术不可能实现真正意义上的桥梁结构长 期健康监测。到2 0 世纪8 0 年代中后期，随着桥梁检测手段和监测技术的不断 发展以及人们对于桥梁安全性和耐久性重视程度的提高，许多大型桥梁上配备 安装了各科；各样的检测工具和监测设备岭j 。 英国在北爱尔兰的f o y l e 桥( 主桥为总长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁) 安装了监测仪器和设备，试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监测 系统。该系统的主要监测项目有：桥梁主跨挠度、气象数据、温度、应变等| 6 j 。 美国佛罗罩达的s u n s h i n es k y w a y 桥上安装的检测设备，用来测量在桥梁 建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移。威斯康辛州一座已有6 5 年历史 的提升式桥m i c h i g a ns t r e e tb r i d g e ，桥上安装了世界上第一套全桥远程监测系 统，以监测将达到设计寿命的该桥梁裂缝扩展情况和其他桥梁状态的变化。 2 武汉理t 大学硕士学位论文 f h w a 资助研究的无线桥梁整体评估与监测系统( w i r e l e s sg l o b a lb r i d g e e v a l u a t i o na n dm o n i t o r i n gs y s t e m ) 包括位移、应变、转角、加速度等项目的测 量( 7 1 。 希腊的h a l k i s 桥1 9 9 4 年安装了有4 8 通道振动加速度传感器的测振系统。 曼谷的r a m a l x 桥1 9 9 5 年安装了结构整体性与安全性在线警报系统( o n l i n ea l e r t i n go fs t r u c t u r a li n t e g r i t ya n ds a f e t ys y s t e m ，o a s i s ) 。系统包括12 通 道加速度计和3 通道风测量，1 通道温度测量。 丹麦的g r e a tb e l ts u s p e n s i o nb r i d g e 桥的结构监测系统包括5 0 通道温度、 5 0 通道沉降、2 0 通道位移、2 通道风速和4 2 通道主缆锈蚀的测量。 1 9 9 9 年夏，美国新墨西哥l a sc u r c e s l 0 号洲际高速公路的一座钢结构桥梁 上安装了1 2 0 个光纤光栅温度传感器，创造了单座桥梁上使用该类传感器最多 的记录。佛蒙特大学的一个研究小组用光纤光栅传感器远距离监测沃特伯里佛 蒙特钢结构大桥，这些研究取得了良好的效果，并有力地推动了桥梁工程科学 的发展。 从上世纪9 0 年代初丌始特别是最近几年，大型桥梁的健康监测由于应用了 光纤传感特别是光纤光栅传感技术，解决了传统电测手段无法长期稳定监测的 问题。同时也由于计算机应用、桥梁结构分析、损伤识别【8 l 等技术的飞速发展 而快速进步，取得了一系列的研究成果，证明了光纤传感技术应用于这一领域 的技术优势。 1 2 2 国内研究动态 我国桥梁健康监测工作起步相对较晚，始于上世纪9 0 年代末，究其原因 主要是由于观念、资金、测试技术和监测手段的落后。随着我国改革丌放的不 断深入，对外经济、文化、科学技术等方面交流的不断扩大，综合国力的不断 增强，交通基础设施和大型桥梁的建设得到了前所未有的关注，基本建设的投 入迅速增加。多次桥梁跨塌的事故给桥梁工程技术人员和管理部门敲响了警钟， 桥梁建康监测的意义和作用逐步为桥梁建设者、设计人员和管理人员所认识。 同时测试技术和监测手段的全面提高和更新，桥梁监测的软、硬件条件都发生 了大的改变，使得我国的桥梁健康监测成为可能。 目前，在国内大多数大规模的桥梁上已经安装有各种自动监测装置，已经 建成的如上海卢浦大桥、杭州湾跨海大桥、润扬长江大桥、深圳湾大桥、南京 武汉理工大学硕士学位论文 长江三桥等都配备了齐全的多种传感器进行大桥的实时监测，还有一些早些时 间建成的大桥进行健康监测的改造，如江阴长江公路大桥等。润扬长江大桥认 购的安全检测系统主要有用现代化传感器、测试技术、计算机技术、现代网络 通信技术，对桥梁的工作环境、桥梁在车载等各类外部负荷载因素作用下的n 向 应进行实时自动化监测，及时掌握桥梁的结构状态，全面了解桥梁的运营条件 及质量退化状况，为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提 供依据【8 1 。 1 3 数据采集分布式系统 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的过程。相应的系统称之为数据采 集系统引。 数据采集系统主要是由硬件和软件两部分组成。从硬件方面来看，目前的 数据采集系统的结构形式主要有三种：一是一般的微型计算机数据采集系统； 二是直接数字控制型计算机数据采集系统；三是集散型数据采集系统。 集散式控制系统也称为分析i 式控制系统，总体思路是分散控制，集中管理， 即用几台d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 计算机分别控制若干个陋j 路，再用监督 控制计算机对各d d c 进行集中管理。集散式的控制系统的规模可大可小，可 以只有两级( 直接控制和监督控制级或称下位机和上位机) ，也可以有多级。典 型的三级结构为过程控制级、管理控制级和生产管理级，一般过程控制由各个 控制站组成，控制站可以是d a s ( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，也可以是d d c ， 用来进行生产的前沿检测与控制。控制管理级由工程师站、操作员站、数据记 录检索等组成，供工作人员进行程序调试和操作员进行生产监控、手动操作报 表打印、数据查询等。 随着现代产业的迅速发展，生产装置由于监控系统规模的不断扩大，生产 技术及工艺过程日趋复杂，从而对显示过程自动化的监控系统提出了更高的要 求。即监控系统必须满足o j ： ( 1 ) 人机界面好，便于集中操作、监控现代化的大型系统。 ( 2 ) 为了安全可靠的需要，应将系统的监控功能分散以化解系统出现的故 障的风险。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 在高度安全可靠的前提下，按预定的工艺流程指标来监控被监控对象。 除了完成一般单参数、单回路的监视和控制外，还能实现对非线性、多变量、 大滞后、参数分布等复杂系统的控制。 ( 4 ) 能采集并记录各类重要的数据供操作人员监控系统时使用。还能整理 打印机报表或上传报表管理层使用。 ( 5 ) 系统构成方便灵活，易于扩展，维护简单。组成系统的设备不断要求 模块化，而且模块化的种类还应尽可能的少。 ( 6 ) 能与常规仪表兼容。数据采集站与上位机之间通常采用异步串行传输 方式传输数据，数据通信通常采用主从方式，由上位机确定与哪一个数据采集 站进行数据传送。 在大型桥梁健康监测工作中，数据采集是整个监测系统中最重要的一个环 节。由于国内的大型桥梁健康监测也是刚刚起步时间不长，基本上还没有自主 开发的用于大型桥梁数据自动化采集的相应产品，大多数情况下都是购买国外 的产品，或者用自动化领域目前通用的数据采集系统。本文将对桥梁数据采集 分布式系统进行研究，解决上述存在的问题。 1 4 本文研究的主要内容 本文的目的是设计适合于桥梁使用的自动化智能数据采集系统以及基于 此系统的科学的数据处理方案，并在此基础上对采集到的数据进行分析和处理 【1 1 1 。本文首先分析了大型桥梁健康监测中设计的常用的传感器，然后就智能数 据采集模块硬件设计和软件设计进行重点的介绍，主要设计满足技术指标要求 的信号放大和滤波、a d 转换、最后进行c a n 通信的设计，要做到这一点， 先分析了常用的传感器，讨论了各种传感器的输出参数以及在数据自动化采集 是要满足的技术指标，真实地反映出各个传感器的采样数据。 对于桥梁的数据采集的通信部分，需要根据桥梁的要求，设计不同的总线 方式，其中最常用的是c a n 总线。c a n 总线在工业上使用非常广泛、其优点 明显、设计简单，系统性价比较高，完全满足实际方案的需求。文章的最后还 讨沦的大型桥梁健康监测中可能用到的其它数据自动化采集方案。将自动化测 控领域的知识和桥梁专业的知识结合起来，基于上述构想，本文主要开展以下 四个方面的工作： 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 研究适用于桥梁的数据采集分布式系统。 ( 2 ) 基于c a n 总线的数据采集节点以及上位机适配卡的硬件和软件的设 计。 ( 3 ) 实现对各个节点分布式数据采集的信号收发与监测。 ( 4 ) 完成总线和上位机的实时通信网络系统的设计。 上面所述的这些内容在自动化领域基本上是一些成熟的设计和方案，但是 结合与桥梁工程的应用，要设计制作成在实际工程中使用的产品，还是有比较 大的难度。从采集系统的方案设计、数据采集分布式原理、芯片的选型、性价 比、抗干扰、通信总线保护直到设计印制板图，编写程序和调试，需要对各种 问题做全面的了解和掌握。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章系统整体方案 本文的数据采集分布式系统包括以下几个子系统，即：传感器子系统；数 据采集子系统；数据通信与传输子系统；远程综合管理子系统。上述子系统的 各部分相互联系、紧密结合、协同工作，共同构成一个有机的整体，每一部分 不可或缺，其中数据采集子系统搭起了传感器子系统和数据通信与传输子系统 的桥梁。本文将重点对数据采集和数掘通信与传输子系统的设计和实现进行研 究。 系统的整体结构如图2 1 所示： 传感器 子系统 2 1 传感器子系统 数据采集 子系统 数据通信与 传输子系统 图2 1系统整体结构图 远程综合管 理子系统 在桥梁数据采集分布式系统中，由于桥梁空自j 跨度大、约束点多、结构变 形复杂，因此要想获得反映整个桥梁健康状态的参数，就必须在桥梁的各个重 要部位安装多个不同类型符合实际要求的传感器，大桥上常用桥梁传感器主要 有以下几种类型，测量桥梁应力的应变传感器，索力传感器，测量桥梁的温度、 湿度、风速等。表2 1 中介绍了一些主要的桥梁上使用的传感器的基本特征，实 际上还有其他的一些传感器f l 引，比如：车辆载荷、扰度、沉降等相关的传感器， 也比较常用，在此不多赘述。 7 武汉理1 二入学硕士学位论文 表2 1桥梁监测上常用的桥梁传感器 传感器 生产公司采集方式及用途输出参数供电 索力传感器h b m 应变片 惠斯登电桥，拉索受力 士1 5 m v v 无源 应变传感器h b m 应变片 惠斯登电桥，结构变形 士1 5 m v v 无源 液压传感器 r o s e m o u n t 桥的线形 4 2 0 m al2 4 2 v d c 支座传感器西南交大支座受力 4 2 0 m a2 4 v 国产温湿度长英科技塔内温湿度变化 4 2 0 m a2 4 v 倾斜传感器美国d u r h a m塔的倾斜 士2 5 v d c5 5 15 v d c 风速传感器 r m y o u n g 桥上的风力及方位 0 5 v d c12 2 4 v d c 温湿度 r m y o u n g 梁内外温湿度 o l v d c8 2 4 v d c 振动传感器地震工程局塔和梁的振动 士5 v d c无源 传感器的下述特征在对数据采集设备的分辨率、采样频率、精度、触发、 同步采样、时钟频率、通道数等方面提出了要求。在本文中，采用的传感器主 要为电阻式应变传感器。 2 2 数据采集子系统 数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集模块是一利， 具有实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、 即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。它把安装在机器设备上的震动 传感器和过程传感器等所测得的信号作为输入，配以各种测量分析技术以及多 样化的显示格式所组成的一个检测系统，主要应用于对机器设备进行定期巡回 状态监测和故障诊断等多种领域。 桥梁现场的传感器将采集到的信号转换为相应的电信号，由实时数据采集 系统对其处理，实时数据采集系统常采用主从式【l3 1 、集散型( 也称分散型，分 布式控制系统在工业上的典型应用) 1 4 】等结构实现，即利用单片机对现场数 据采集后，通过通信线路送入主机系统进行相应的计算和处理，实现对现场物 理量的监视，由主机控制数据集采集模块来完成数据采集、数据传输等工作， 基于本文作者对实地环境考察，由于传感器位置比较分散于不同的桥墩，所以 本文提出了采用现场总线型( c a n b u s ) 分布式数据采集与处理系统，完成对 桥梁数据的采集。 武汉理t 大学硕士学位论文 本数据采集系统的主要特点如下【”j ： ( 1 ) 本系统的适应能力强。由于桥梁现场的环境复杂，传感器分布比较分 散，干扰比较大，本系统采用带屏蔽层的电缆作为通信线，加上硬件电路去除 干扰，所以其适应能力比较强。 ( 2 ) 本系统的可靠性高。本系统采用了多个以单片机为核心的数据采集模 块，若某个数据采集站出现故障，只会影响某项数据的采集，而不会对系统的 其他部分造成任何影响。 ( 3 ) 本系统的实时h 向应性较好。本系统各个数据采集模块之间是“并行” 工作的，所以系统的实时响应性较好。 ( 4 ) 本系统对硬件的要求不高。由于分布式数据采集系统采用了多机并行 处理方式，所以每一个单片机仅完成数量十分有限的数据采集和处理任务。因 此，可以用一般的硬件组成高性能的系统，这是微型计算机数据采集系统方案 所不可比拟的。 另外，本数据采集系统是用数字信号代替模拟信号传输，有利于克服外界 干扰。因此，这种系统特别适合在恶劣的环境下工作。 2 3 数据采集系统设计内容和原则 本数据采集系统的设计内容，包括对系统的功能分析，结构分析，设计原 则等进行必要的分析。数据采集系统设计包括以下内容【l 6 j ： ( 1 ) 系统分析，确定任务：对要监测的对象特性、要解决的问题进行调 查分析，确定系统的任务、技术指标等； ( 2 ) 系统总体设计：考虑系统硬件和软件的特点，对部分既可用硬件也 可用软件实现的功能( 必须滤波、去噪声等) 进行分配； ( 3 ) 系统硬件和软件的平台选择和设计原则； 在具体进行数集设备设计时应遵循与传感器信号特征相匹配的设计原则。 对静态信号，采用基于分布式的数据采集系统；对于动态信号，采用基于板卡 的集中式数据采集系统。这样，整个数据采集系统由两者相结合而成，能够相 互补充，充分发挥各自优势。 本数据采集系统的硬件设计遵循的原则为【l7 l ： ( 1 ) 满足正常使用原则。力求设计满足实际使用的要求，可以达到准确、 9 武汉理工大学硕十学位论文 实时的原则；( 2 ) 较高性价比原则。本系统遵循在功能满足要求的基础上，尽 可能的降低成本。 本数据采集系统的软件设计遵循的原则为1 1 。7 1 ： ( 1 ) 选择正确丌发语言或平台。本文选用c h 作为开发语言，v i s u a lc + + 作为开发平台：( 2 ) 良好的运行稳定性。本系统采用优化的程序，确保系统能 够长时间稳定的运行；( 3 ) 良好的操作性。本系统的上位机上的综合管理子系 统，遵循人机界面友好、易于操作的原则。 在实际的桥梁监测环境中，将静态数据采集和动念数据采集有机的结合， 并且遵循硬件和软件的设计原则，就可以满足实际应用的需求。 2 4 综合管理子系统 本系统的上位机采用工控机，其操作系统为w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 ，数据库 系统软件采用s q ls e r v e r2 0 0 5 ，另外由于本系统为连续工作，而数据量很大， 所以服务器外接可移动存储设备以利于数据的更新与备份。 构造一个数据采集系统，基本硬件系统确定后，就需要进行数据采集软件 的开发，软件是数据采集系统的关键，选择正确的软件系统可以最大限度发挥 硬件的性能。通常情况下有多种程序开发语言或软件开发平台可供选择。 通常越低级的语言丌发出的数据采集系统效率越高，但开发技术复杂，通 用性较差。利用高级语言或软件开发平台进行数据采软件开发通常较为简单易 学，程序通用性高、数据处理方式简单，但程序效率较低，常用于非严格场合。 当前产生于测控领域的技术正是将高性能模块化硬件作为系统平台，与灵活的 软件技术结合在一起，建立起强大的基于计算机的数据采集解决方案。这种技 术克服了传统数据采集不够灵活等一些缺点。 在本文中，将采用高级面向对象的编程语言c + + 来实现，它是一种使用非 常广泛的计算机编程语言。c + + 是一种静态数据类型检查的，支持多重编程范 式的通用程序设计语言。它支持过程化程序设计、数据抽象、面向对象程序设 计、制作图标等等泛型程序设计等多种程序设计风格。本文中的编译环境采用 v i s u a lc + + 6 0 。其更多的基本特性在此不再赘述。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 通信子系统 本系统中信号的基本流程为：现场的传感器将采集到的信号发送给数掘采 集模块，数据采集模块经过简单处理后输送给控制器，经过控制器协调管理， 完善传输之后传送给远端的桥梁控制室中的上位机，最后上位机将通过光纤或 者双绞线将数据库发送到桥梁管理办公室，以供桥梁工作人员进行分析和处理。 故而在本数据采集系统中，本文将采用基于c a n 总线的分布式数据采集 通信网络。c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 的规范定 义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，在大数据块的分帧传输和扩展 系统节点时很不方便。c a n o p e n 是一种基于c a n 的高层协议，在国外汽车、 电力系统等工业控制领域的应用已经很成熟，其服务数据单元通信s d 0 ( s e r v i c ed a t a0 b j e c t s ) 传送报文不受长度的限制，可用于设备配置过程中传 输参数以及传输大数据块，使数据传输更有效【l 引。使用了面向对象的设计思想， c a n o p e n 可通过设置、修改对象字典对设备功能进行描述，不仅解决了设备 间的互连问题，还提高了总线的扩展性和软件的组态性。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据采集系统硬件设计 本文的桥梁数据采集分布式系统的整体框架图如图3 1 所示【1 9 】： 幽3 1分布式数据采集系统的整体框幽 根据图3 1 所示，本数据采集系统主要可以分为以下3 个主要部分： ( 1 ) 现场数据采集节点：由图3 1 中的节点1 节点n 组成。每个节点分别由传感器、 信号调理电路、a d 及m c u 、c a n 控制器、光耦隔离、c a n 收发器组成；( 2 ) 现场控制的工控机。工控机内包含有c a n 总线与上位机通信的c a n 接口适配 卡；( 3 ) 远程控制室的终端p c 机。 本系统主要研究现场数掘采集节点的实现和现场工控机上c a n 适配卡的 实现。下面本文主要从每个子单元，分别阐述硬件设计的原理、依据以及完成 的功能。 3 1 数据采集节点硬件设计 在数据采集系统中，数据采集节点是核心，其设计足否具有科学性、合理 性、实用性、精确性是衡量一个系统好坏的重要依据之一f 2 0 1 。它一方面和上位 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 机( p c ) 进行通信，完成数据交换，起着承上启下的作用；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i o 口管理。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，以发挥节点的优势。 在硬件设计时，采用结构化的方法，本文将其功能划分为几个子单元。主 要包括：传感器与调理电路、m c u 的选择、a d 转换电路、c a n 总线通信电 路( c a n 控制器单元、光耦隔离单元、c a n 收发器) 等单元的硬件设计。 3 。1 1 传感器及前置调理电路 在第二章中，本文简要的介绍了一些桥梁数据采集中采用的传感器的基本 特性，传感器输出的信号存在着很多的不确定的因素，特别是在环境及其复杂 的桥梁现场，所以在对传感器的模拟信号进行a d 转换前，需要对模拟信号进 行初步的处理，称为前置调理电路。其大致可以分为：放大、隔离、滤波、激 励、线性化等。像采样频率的高低、对环境噪声的抑制能力、自身对有用信号 的干扰和采样精度等都是模拟信号调理电路设计时需要考虑的问题。特别是对 信号幅度微弱、干扰与噪声幅度大、精度要求高、动态范围大、数据的实时性 要求高的情况，对模拟信号调理电路的设计提出了更高的要求。所以对传感器 输出的信号进行前置处理，使之能够成为标准的信号进行a d 处理，是非常有 必要的。 根据之前提到的桥梁数据采集系统中常用的传感器，所有的输出参数，本 文将其分为三类，一类是m v 级的微弱电压信号，主要是惠斯登电桥的输出； 一类是电压和电流信号，范围在5 v + 5 v d c 之间，因为a d 转换的高阻抗输入， 4 。2 0 m a 的电流信号通过串接2 5 0 欧姆的精密电阻变为1 - - 5 v d c ；一类数字温度 传感器，用来监测各个传感器的温度。由于本文采用的是应变电阻式传感器， 其输出信号为通过惠斯登电桥输出微弱的电压信号，般为- 4 - 1 5 m v 左右的双 极性电压信号。所以首先需要将信号进行差分放大成士2 5 v ( 放大倍数大约为 1 6 6 6 倍) ，然后将信号的电位用加法器，使之变成o 5 v 的单极性的模拟信号， 最后进行滤波，消除干扰等，供t l c 2 5 4 3 使用。由于放大的倍数比较大，为了 保护电路能够正常工作，本文采用了二级放大：第一级为带有增益的缓冲器， 具有高共模抑制比的差动放大电路，除了可以得到高阻抗，还会产生很好的低 噪声性能，可以很有效的解决共模抑制的问题；第二级为反相放大器以及信号 武汉理t 大学硕士学位论文 抬升2 5 v 的加法电路；最后还给出了信号的去除干扰的r c 低通滤波器。信号 的前置处理电路图如图3 2 所示： p o i 图3 - 2 传感器输出信号的前置调理电路 图3 2 中采用了比较常用的高精度、低温漂运算放大器o p 2 7 。应变传 感器电桥输出的信号v - n - 和v i n + ，分别经过u 1 1 a 和u 1 1 b 带增益的缓冲器， 然后输出到u 1 2 a ，进差分放大，此时为一级放大。此时的放大倍数u a 得到的信号大小为：u a = ( 1 + ( u 2 2 + u 2 4 ) r 2 3 ) * ( r 2 7 r 2 5 ) 木( v i n + - v i 。) 。将图3 2 中的电阻值代入此式中，并且调节r p 的大小为5 0 0 f l 左右，可以控制此时 的增益为4 1 。此时a 点信号的电压大小约为：- 4 - 1 5 m v * 4 1 = - a ：6 1 5 m v 。 经过一级放大的信号输入到由u 1 2 b 构成的一个反相放大器，进行二 级放大。此时的放大倍数u b 得到的信号为u b = ( r 3 1 r 2 9 ) 半u a 。将图3 2 中 的电阻的值带入到此式中，可以得到此时的增益为4 0 ，此时b 点信号的 电压大小约为：士6 1 5 m v 4 0 = 士2 4 6 v ，并且和a 点的信号是反相的。 经过二级放大后的信号输入到由u 13 a 构成的一个反相加法电路中。图3 2 中c 点的电位是2 5 v 的恒压源，和经过b 点来的电压信号一起构成了一个加 法电路。d 点信号的大小为：u p = ( ( r 3 6 r 3 5 ) 宰v c + ( r 3 6 r 3 4 ) * v b ) 。当r 3 4 = r 3 5 = r 3 6 时，u d = ( v c + v b ) ：士2 4 6 v + 2 5 v 。此时的信号与b 点的信号是反相的，所以此 时得到的信号电压放大了约1 6 1 0 倍为：0 0 4 v 4 9 6 v ，可以满足d 转换芯片 t l c 2 5 4 3 输入端信号要求。 最后是一个低通滤波电路。信号通过一个电阻r 3 7 和c 1 7 构成了一