基于CAN總線的橋梁健康檢測系統(tǒng)的研究

摘 要:設計一款應用于橋梁健康檢測的基于CAN總線2.0B協(xié)議的分布式數據采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)設計了帶有CAN總線通信接口的數據采集與處理底層模塊以及具有實時監(jiān)控與控制功能的上位機監(jiān)控模塊。底層模塊的硬件設計以C8051F060高速型單片機為核心，內部集成A/D采集和D/A輸出子模塊以及CAN總線通訊模塊。

關鍵詞:CAN總線;數據采集;監(jiān)控系統(tǒng);總線通訊

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-098-03

Research of Bridge Health Examination System Based on CAN Bus

ZHANG Qifu1，WU Xuejie1，CHAI Xiuying1，LIU Ru2

(1.Traction Power State Key Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China;

2.Beijing Railway Bureau，Beijing，100039，China)

Abstract:This distributed data acquisition and processing system based on CAN bus 2.0B protocol is used in bridge healthy examination.It is designed with the CAN bus communications interface data acquisition and processing underlying module，as well as the upstream watch system for real-time monitoring and control.The core of the underlying module is high-speed C8051F060 single chip microcomputer，and the underlying module integrates A/D data acquisition and D/A data output module，as well as CAN bus communication module.

Keywords:CAN bus;data acquisition;monitoring system;bus communication

0 引 言

隨著交通建設事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一些大跨度和超大跨度橋梁的相繼建成，人們對這些大型重要橋梁的安全性、耐久性與正常使用功能日漸關注[1]。同時，既有的許多橋梁逐漸進入了養(yǎng)護維修階段，橋梁管理者對橋梁的養(yǎng)護也日益重視。

傳統(tǒng)的數據采集系統(tǒng)一般采用RS 485作為組網方式，而RS 485本身存在總線效率低、系統(tǒng)的實時性差、通訊的可靠性低、后期維護成本高、網絡工程調試復雜、傳輸距離不理想、單總線可掛節(jié)點少、應用不靈活等的局限性[2]。本系統(tǒng)是基于CAN總線的分布式數據采集與通訊系統(tǒng)，解決了RS 485網絡的固有問題。CAN總線屬于總線式串行通信網絡，采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，擁有強有力的錯誤處理能力和很高的傳輸可靠性，而且它的工作方式為多主方式，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，且無需站地址等節(jié)點信息[3]。CAN節(jié)點在嚴重錯誤的情況下有自動關閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。因而CAN總線具有突出的可靠性、實時性和靈活性[4]。

1 橋梁檢測系統(tǒng)的構成及功能

橋梁檢測系統(tǒng)由數據采集、數據處理和數據傳輸三個部分構成(見圖1)。整個系統(tǒng)由多個底層模塊和一臺接有CAN總線通信板卡的上位機組成，采用主從結構，通過接口卡來實現雙向通訊，由此可以及時得知工業(yè)現場的各種數據和運行參數，從而保證了對現場遠程測控的實時性。

圖1 分布式檢測系統(tǒng)結構

橋梁健康檢測需要采集的信號主要有應變信號、加速度信號、位移信號和反力信號。數據采集系統(tǒng)主要通過底層模塊采集由分布在橋上的傳感器所感應的各種微變信號并對它們進行初級處理、打包等操作，然后通過CAN總線的數據傳輸系統(tǒng)傳給上位機進行處理，從而使得上位機可以實時監(jiān)控、存儲數據和發(fā)送命令。

2 橋梁檢測系統(tǒng)的硬件設計

基于CAN總線的分布式信號調理模塊主要由單片機CPU、輸入/輸出電路、電源電路和通信接口CAN總線接口幾部分組成。系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

圖2 底層模塊系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)的硬件電路主要體現在底層模塊上，采用雙層電路板設計，上層電路主要為CPU模塊，是底層模塊電路板的核心，用以數據采集、處理和傳輸。下層電路是調理放大模塊，主要是對采集的信號進行調理放大。上層電路有數據采集模塊的核心部件——C8051F060單片機及其外圍電路和上下層連接件。下層電路包括了信號調理電路、電源電路以及傳輸電路。系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。

圖3 底層模塊原理框圖

濾波放大電路用于對傳感器送來的微弱信號進行濾波放大以便于后面進行調理轉換。調理轉換電路把濾波放大后的信號進行轉換變成單片機能夠識別的信號，其中比較重要的有A/D轉換和D/A轉換。傳輸電路主要用來接收命令和傳輸數據。

3 橋梁檢測系統(tǒng)的軟件設計

3.1 下位機軟件介紹

下位機使用的是新華龍公司的C80F060單片機，它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，集成了兩個16位、1 MSPS的A/D轉換器[5]。且?guī)в蠨MA控制器;集成有兩個12位D/A轉換器，具有可編程數據更新方式;集成有控制器局域網(CAN 2.0B)控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有自己的標識掩碼[6]。下位機軟件主要是采集、處理和傳輸數據。下位機數據處理是對采集的數據進行分類、計算、合并、選擇、存儲和傳送。為了使得檢測的數據更加的準確，精度更高，數據采集部分采集的數據必須經過平滑處理才能傳輸給上位機進行處理。下位機程序中的數據處理就是完成這部分功能的，其他處理包括數據的打包等操作。數據采集采用定時采集的方式。其下位機程序流程圖如圖4所示。

圖4 數據采集程序流程圖

下位機數據的傳送是把采集的數據打包發(fā)給上位機，并接收上位機傳給它的命令，每個模塊在軟件上都有自己的一個ID號便于數據傳輸和模塊識別。下位機數據傳輸程序框圖如圖5所示。

圖5 數據發(fā)送接收下位機程序流程圖

3.2 上位機軟件介紹

上位機軟件設計是基于Borland公司的Delphi來實現的。Delphi支持多線程工作，并且在數據庫訪問操作上有很大的優(yōu)勢，而且Delphi支持多層應用程序[7]。

上位機軟件主要負責對網絡模塊數據進行收集、顯示、處理和保存等工作，由本地服務器端和遠程客戶端組成。服務器端主要任務是接收CAN總線發(fā)送來的數據，并且將相應數據轉換成電壓值，顯示轉換值，將服務端的采集數據在客戶端動態(tài)顯示出來(以文本方式和圖形方式顯示)，直觀清楚，可以對試驗數據進行遠程監(jiān)控。其中，遠程傳輸采用B/S架構，它能實現不同的人員，從不同的地點，以不同的接入方式訪問和操作共同的數據庫;同時也能有效地保護數據平臺和管理訪問權限，服務器數據庫也很安全。上位機軟件流程圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件程序流程圖

4 結 語

基于CAN總線的橋梁健康檢測系統(tǒng)采用分布式結構，現場將電流電壓信號處理后通過CAN 總線將數字量傳輸給上層，有效解決了橋梁檢測中模擬信號長距離傳輸問題，徹底解決了模擬信號在傳輸過程中的失真問題。同時，利用Delphi編寫的上位機監(jiān)控軟件能實

時的多通道的監(jiān)控各個底層模塊的現場狀況并對每個通道根據檢測的數據及波形圖進行調零、數據采集存儲等操作，客戶端通過互聯網與服務器端同步的監(jiān)控與控制，滿足了現場測控系統(tǒng)的實時性及遠程監(jiān)控的同步性。本監(jiān)控系統(tǒng)在試驗橋上運行穩(wěn)定可靠，能長期、連續(xù)、有效地監(jiān)測數據，目前應用于實際橋梁檢測項目中。

參考文獻

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