摘 要：利用現代傳感器以及Internet通信技術遠程監測橋梁健康參數，正在逐步應用在國內外許多大型橋梁監測之中，不僅可以節省人力，并且具有準確性、實時性、安全性等。本文提出了一種基于CAN總線的數據采集系統的設計方案，介紹了數據采集系統的系統功能、硬件結構以及軟件設計方案。實際應用表明，該系統簡單、運行穩定、可靠性高。 關鍵詞：CAN 總線；橋梁監測；數據采集；控制系統 1．引言 在橋梁健康監測工作中，數據采集是整個監測系統中最重要的一個環節。為了避免造成重大的經濟損失，力求對橋梁結構進行實時監控和結構狀態的智能化評估，通過測定其關鍵性能指標，獲取反映結構狀況的信息，分析其健康運行情況，分析其是否受到損傷，以便將未知的危害降到最低。這對確保橋梁的運營安全，及早發現橋梁問題，延長橋梁的使用壽命起著積極的作用。 本系統采用應力式傳感器，設計橋梁的數據采集及其監控系統。包括數據采集模塊，控制模塊和通信模塊，通過CAN 總線將采集到的數據傳送到工控機，并通過Internet 將數據傳送到遠端的控制室的終端PC 上，在終端PC 上遠程監控橋梁的健康情況。 2．系統總體結構 由于CAN總線為多主方式工作，最多可掛接110個節點，系統采用現場總線分布式數據采集控制方式。系統主要包括現場數據采集控制系統、現場控制室、遠端控制室三大部分。其系統總體結構如圖1所示。 現場數據采集控制系統，可分為A/D 轉換單元、MCU 以及CAN 控制器、光耦隔離、CAN 驅動器等接口電路單元。其主要功能是采集分布于不同橋墩現場拉力傳感器采集的實時信息，并根據所得的信息發送控制命令，控制現場的設備，例如實現故障報警功能等。 由于CAN 的通信距離有限，并且遠端控制室和現場相隔較遠，所以就需對數據進行預處理。現場控制室主要由CAN 接口適配卡以及上位機PC 組成，并且通過代理服務器，將數據發送到遠端的控制室。并且還外接可移動存儲設備以便于數據的更新與備份。 遠端的控制室主要由客戶端PC 以及通過Internet 以及客戶端的操作軟件，可以實現對CAN 節點傳送來的數據進行存儲、數據分析、數據打印等基本功能及其操作。 3．電路設計 整個系統的電路設計，分為傳感器和單片機組成的現場數據采集控制部分、現場工控機和CAN 接口適配卡以及代理服務器組成的現場控制室的傳輸部分、終端PC 機和操作軟件組成的數據處理部分。其中關鍵是現場的數據采集控制部分，我們將對這一部分進行重點研究。 3.1 數據采集 基于CAN 總線的分布式數據采集與控制系統的結構特點，能夠將系統功能盡可能地分散到各個節點；各節點以微處理器為核心，完成各種數據采集與監控功能。為了把各個節點不同的種類、不同的格式的信息能夠在基于CAN 的協議標準下通信，每個節點都設有與CAN 總線接口的電路。數據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STC89C52 為核心處理芯片，整個硬件電路由五個部分組成： 1） CAN 總線接口電路：由SJA1000及82C250 組成，STC89C52 對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/INT 接STC89C52 的/INT0端，使得STC89C52 可收發各類信息。CAN 總線收發器82C250 提供了CAN 控制器與物理總線之間的接口，提供總線的差動發送和接收能力，抗干擾能力，使得信號能夠更遠更可靠的傳輸。其TXD、RXD 端通過高速光耦分別接SJA1000 的TX0、RX0，兩個輸出端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，以減少信號反射干擾。 2）A/D 轉換電路：由11 路模/數轉換芯片TLC2543 實現，STC89C52 的P1.0～P1.3 引腳分別與TLC2543 的/CS、CLOCK、DATA IN 和DATA OUT 相連，通過這些連接，STC89C52可以控制A/D 的轉換的時間、選擇轉換通道、極性等；當A/D 轉換結束后，TLC2543 通過EOC 引腳，以中斷的形式通知STC89C52 接收數據。其中TLC2543 為CMOS 12 位開關電容逐次逼近模/數轉換器。具有快速轉換和通用的控制能力。片內設有采樣-保持電路。 3）RS-232 協議轉換電路：該電路主要完成現場的數據調試功能。其中STC89C52 通過串口TXD、RXD 與MAX232 的相應管腳相連，當STC89C52 需要將從現場采集到的數據或從CAN 總線上接收到的數據轉換成RS-232 協議格式的信息與現場設備或其他模塊進行通信時，可直接將信息通過串口TXD、RXD 傳送給MAX232，由芯片MAX232 完成數據格式的轉換。 4）多路輸入輸出電路：該部分主要完成現場故障報警、結果顯示等功能。由于基于CAN總線的數據采集模塊可直接與多種模擬量或數字量設備相連，所以當模塊需要采集現場的I/O 信息或需要根據處理結果進行顯示、報警、控制時，可通過由P1.4～P1.7 和高速光耦隔離組成的多路輸入輸出電路實現。 5）數據存儲器RAM 擴展電路：此外，為了滿足數據存取和處理的需要，電路還擴展 了8K 的數據存貯器空間（RAM）。 3.2 數據傳輸 服務器擔負著與單片機通信、數據處理、數據存儲和與控制室通信等多項任務，是連接橋梁現場和遠端控制室的重要組成部分，它的優劣直接影響整個系統的性能。我們最終目標是實現整個系統的無人值守和長期連續的工作，因此要求服務器性能穩定、工作可靠，本系統中選擇性能優越的工控機操作系統Windows Server 2003，數據庫系統軟件采用SQL Server2005，另外由于本系統為連續工作，而數據量很大，所以服務器外接可移動存儲設備以利于數據的更新與備份。 現場的代理服務器負責接收下位機采集到的橋梁狀態信息，在這里信息進行預處理，例如和預設的報警門限值進行比較，如果超過門限值則馬上發出報警，同時數據在這里存入數據庫。現場服務器與Internet 網絡連接數據，經過打包實時的傳送給遠端的控制中心，在這里進行最終的分析和處理實時地顯示出狀態變化。 3.3 數據處理 數據處理部分主要負責，數據分析、處理等功能。由客戶端PC 和操作軟件界面，通過Internet 負責接數據，并且進行數據分析、數據處理等。 4．軟件設計 系統的軟件設計可以分為數據采集、數據傳輸和數據處理三部分。其中數據傳輸部分包括單片機與服務器之間數據傳輸、服務器與控制室PC 之間的數據傳輸，數據處理包括客戶端的PC 機上的客戶操作、分析、處理軟件等。 根據分布式數據采集與控制系統的特點，系統各個節點之間和節點到操作站的距離較遠，現場環境干擾大。整個系統應有實時數據采集、實時控制、實時故障報警、現場情況現實、數據存儲、歷史數據查詢、打印報表等功能。 4.1 數據采集部分軟件設計 數據采集部分的程序流程如下圖3所示 由此軟件結構圖可知，STC89C52先對自身進行初始化，然后立即對SJA1000進行初始化以盡快建立該數據采集模塊與CAN總線之間的通信鏈接，其中對SJA1000的初始化是該軟件設計中一個比較關鍵的部分，主要包括在復位模式下設置通信的波特率、AMR、ACR、OCR、CDR，要根據與將要發送的報文標識符有關。BTR0、BTR1寄存器的內容可以唯一確定系統的通信波特率和同步跳轉寬度。所以整個系統中的所有節點，這兩個寄存器的內容必須相同，否則無法通信；對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動器的配置。 與CAN 總線的通信建立之后，STC89C52 就開始采集現場數據，先是模擬量，然后是數字量，在對模擬量的數據采集中，為了減少外部干擾帶來的誤差還進行了消除誤差處理，主要包括判斷數據是否存在超大誤差，對連續多次采樣得到的數據求平均值作為采樣值等措施，以減少系統采樣誤差。再判斷是否采集的值超出設定的界限，需要報警否，是否現實設備的狀態，是否準備往CAN 總線發送數據等，如需要則進行不同數據的轉換。 4.2 數據傳輸部分 服務器是整個系統的核心，它擔負著數據采集，數據管理和傳輸數據的任務，因此它的工作直接影響到整個系統的性能和工作，由于本系統要求服務器能夠在無人職守的情況下長期穩定的工作，最好選用性能優越的工控機，可以為采集系統提供更多的串行口。 客戶端的主要任務是接收數據和處理數據，實現數據傳輸的第一步是客戶端必須連上服務器，首先要設置服務器的IP 地址和端口號，然后發送聯機請求。 4.3 數據處理部分 數據處理部分是要在遠端控制室的PC 機上，實現友好的人機操作界面，具有實時控制、實時故障報警、現場情況現實、數據存儲、歷史數據查詢、打印報表等功能，通過MicrosoftVisual C++6.0 編程，進行對各種數據源進行操作訪問，遠程監控橋梁的健康情況。 5．結束語 橋梁的健康狀況監測對于橋梁的安全運行有著重要的意義。本文首先介紹了CAN 總線的性能，在分析了橋梁的結構特點的基礎上，設計了利用傳感器、CAN 總線以及Internet網絡實現橋梁狀態遠程監測的方法，提高了對橋梁結構損壞和突發事件的反應速度并且節約人力物力。它改變了傳統的以人工為主的檢測手段，大大的提高了橋梁監測的實時性、準確性、安全性等。 橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進,而是運用現代傳感與通信技術，實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應與行為，獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息,由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性,為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。 參考文獻 [1] 周文松,李惠等.大型橋梁健康監測系統的數據采集子系統設計方法[D],公路交通科技,2006 年3 月, 83-84. [2] 王毅峰,李令奇.基于CAN 總線的分布式數據采集與控制系統[D],工業控制計算機,2000 年05 期,34-35. [3] Philips Semiconductors SJA1000 stand-alone CAN controller.DATA SHEET[M],1997（8）. [4] 鄔寬明.CAN 總線原理和應用系統設計,北京航空航天大學出版社[M],1996 年11 月. [5] 亓躍峰,畢衛紅,盧輝斌.大型橋梁分布式健康監測系統設計[D]. 計算機測量與控制. 2004 年12 卷4 期,327.