孫可敬 張為公 趙馬泉

(東南大學儀器科學與工程學院 南京 210096)

1 引言

近年來,隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國的城鄉(xiāng)建設規(guī)模越來越大,土木工程建設發(fā)展極為迅猛。然而在大興土木的同時,工程的質(zhì)量問題成為人們關(guān)注的焦點。一般大型建筑都有較厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),工程的材料及施工技術(shù)決定了混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及承載能力,如有不當混凝土結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生形變,給基礎設施帶來巨大的安全隱患[1]。因此在施工中需要對混凝土結(jié)構(gòu)的承載應變進行測量與分析,以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施解決問題。目前,由于計算機技術(shù)的發(fā)展,土木工程施工信息測試系統(tǒng)的智能化得到了很大的提高,國外一些高精度、高穩(wěn)定性的測試設備不斷涌現(xiàn)。而國內(nèi)由于在此領(lǐng)域起步較晚,測試設備比較落后,和國外存在一定的差距。

本文設計了一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于ARM和CAN總線的土木工程施工信息無線測控系統(tǒng),采用了16位A/D,并著重設計了電源電路,實現(xiàn)了高精度16位A/D采集;通過CAN總線實現(xiàn)了多卡通訊,使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的板卡能夠輕松更換,提高了系統(tǒng)的可擴展性;上位機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M行通訊,使得系統(tǒng)從有線通訊的束縛中解放出來,系統(tǒng)現(xiàn)場安裝更加方便靈活,具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個施工信息無線測控系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(下位機)及上位機組成,總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加上位機監(jiān)控的方式,將信號調(diào)理及數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析相分離,便于系統(tǒng)的搭建及維護。由于測試系統(tǒng)有時需要長時間的測試運行,此測控系統(tǒng)特別設計了數(shù)據(jù)備份功能,有利于數(shù)據(jù)的在線與離線分析。

系統(tǒng)的待測信號主要有應力信號、振弦信號和位移信號等。由于應力傳感器、振弦傳感器及位移傳感器的接口不同,因此傳感器信號的調(diào)理電路都有所不同,而其他的如A/D轉(zhuǎn)換,微處理器、通信總線、以及微處理器內(nèi)部運行的軟件都可以公用,或者采用相同的方法進行設計。

不同種類的采集板卡通過CAN總線與主控卡通訊,主控卡將各采集板卡的數(shù)據(jù)分類、匯總、打包,一邊通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送給上位機,一邊將數(shù)據(jù)備份在自帶的Flash當中,上位機對測控系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)進行顯示、分析。

3 下位機軟硬件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元主要負責采集傳感器信號并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控卡,怎樣保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準確性以及數(shù)據(jù)的高速采集與處理是本設計的重點。數(shù)據(jù)采集單元由電源系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、核心微控制器等主要部分組成。

電源系統(tǒng)為整個數(shù)據(jù)采集單元提供能量,是整個系統(tǒng)運行的基石,具有非常重要的作用。本系統(tǒng)使用了臺灣明偉開關(guān)電源 RPT-160B提供±12V與+5V的直流電壓,并采用MAX6325/MAX6350作為轉(zhuǎn)換芯片設計了專門的轉(zhuǎn)換電路提供+3.3V和±2.5V電壓,保證了電源的穩(wěn)定性。

信號調(diào)理電路根據(jù)各傳感器的特點有所不同,但主要電路都是采用高精度的AD620單片儀用放大器,AD620的體積小,功耗低,非常適合于低電壓、低功耗的場合,且其放大精度完全滿足系統(tǒng)要求[2]。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用了TI公司的ADS8345 A/D轉(zhuǎn)換芯片,ADS8345是一款8通道輸入、16位、同步串口通訊的A/D轉(zhuǎn)換芯片,它具有極低的功耗和極高的轉(zhuǎn)換速度[3],保證了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精確度。

核心微控制器采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F040單片機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理及板卡間的通訊。C8051F040是一種完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型微控制器。片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核,它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容,具有高速、流水線指令結(jié)構(gòu),速度可達25MIPS,完全滿足實時數(shù)據(jù)處理需求。內(nèi)部有4352字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM,64KB FLASH,外部64KB數(shù)據(jù)存儲器接口[4],滿足本采集卡大批量數(shù)據(jù)存儲的要求;內(nèi)含局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器,這樣就可利用CAN總線實現(xiàn)板卡間的通訊。C8051F040單片機的編程非常簡便,可以方便地實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集單元的控制。

3.2 主控制卡單元

整個測控系統(tǒng)的核心控制部分,就是主控制板卡。主控板卡需要通過總線接收各個從卡的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行匯總分類,通過無線或有線的方式將數(shù)據(jù)傳給上位機進行處理,并對數(shù)據(jù)進行備份。主控卡要對數(shù)據(jù)要進行高速處理,并且要有合適的外圍接口與上位機進行通訊,因此宜選用ARM7系列的微控制器[5]。本系統(tǒng)采用了飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2292芯片,此芯片擁有60MHz的主頻和兩個自帶的CAN接口,滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的實時性要求以及利用串口及CAN接口通訊的需要。該芯片能夠方便地擴展外部存儲器,僅需要添加極少的外圍部件就可以搭建一個嵌入式系統(tǒng),簡單方便,非常適用于低功耗的嵌入式領(lǐng)域。

主卡要將采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,但是由于施工現(xiàn)場的工況很復雜,因此本系統(tǒng)在主卡上做了數(shù)據(jù)備份,以便在上位機采到的數(shù)據(jù)存在問題時,可以直接讀取主控卡上備份的數(shù)據(jù),減少意外情況下帶來的損失。本系統(tǒng)使用三星公司的K9F1G08U0A作為片外存儲設備,通過很少的接口與LPC2292實現(xiàn)連接,達到了大容量存儲的目的。存儲電路如圖2所示。

圖2 存儲電路圖

ARM7系統(tǒng)在加電后運行的第一段軟件代碼是啟動代碼,又叫做引導程序[6]。在系統(tǒng)上電過程中啟動代碼需要完成的功能有:建立中斷異常矢量表、初始化堆棧、寄存器和工作模式的定義、PPL和時鐘的初始化等。在啟動代碼完成初始化工作后,開始執(zhí)行用戶的應用程序。應用程序所要實現(xiàn)的功能為:

1)控制各個從卡采集數(shù)據(jù);

2)接收各個從卡發(fā)來的數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分組打包;

3)自動識別板卡的類型及數(shù)量;

4)對數(shù)據(jù)進行Flash備份;

5)與上位機采用modbus協(xié)議通訊;

6)按照上位機的要求將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機;

7)采用在線和離線兩種靈活的工作模式。

主控制卡的主函數(shù)的流程圖如圖3所示,當上位機發(fā)送指令給主控制卡時,主控制卡對mode參數(shù)進行判斷。當mode為 T時,對數(shù)據(jù)采集的時間間隔進行設置,并反饋板卡IP給上位機;當mode為C時,擦除主控制卡上的Flash;當mode為R時,進行的是在線工作模式,對數(shù)據(jù)進行實時采集監(jiān)控;當mode為N時,進行的是離線工作模式,對數(shù)據(jù)進行離線采集存儲;當mode為S時,停止數(shù)據(jù)采集;當 mode為 L時,上位機讀取主控制卡上Flash存儲的數(shù)據(jù)。

圖3 主控制卡主函數(shù)流程圖

3.3 通訊總線設計

主控制卡與位移采集板卡和應力采集板卡等通過CAN總線的形式通訊。本系統(tǒng)采用飛利浦公司生產(chǎn)的SJA1000 CAN控制器以及配套的PAC82C250CAN收發(fā)器搭建CAN 接口。SJA1000的引腳與PCA82C200的引腳完全兼容,通訊速率能達到 1Mbps,支持 CAN2.0A與CAN2.0B協(xié)議,支持熱插拔功能,使用非常方便。

各板卡的CAN總線接口電路設計相同,如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CAN總線接口電路

由于施工現(xiàn)場比較復雜,為了增強CAN總線的抗干擾能力,SJA1000的TX0與RX0引腳不直接與CAN收發(fā)器的TXD與RXD相連接,而是在中間加光耦6N137過渡,從而實現(xiàn)CAN總線上的節(jié)點電器隔離[7]。光耦6N137的兩個電源引腳分別連接兩個相互隔離的電源,提高了總線的隔離效果,而這兩個電源可通過DC to DC的電源模塊得到。此處增加光耦及電源方面的處理,雖增加了電路的設計,但是卻極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

在CAN收發(fā)器與CAN總線的接口處同樣也采取了可靠的抗干擾設計。CAN收發(fā)器PCA82C250的 CANH與 CANL引腳分別通過5.1Ω的電阻與CAN總線相連,起到限流的作用,以免PCA82C250受到過流的沖擊[8]。CANH與CANL分別并接了30pF的電容,能夠有效地預防總線上的電磁輻射并且能夠濾除CAN總線上的高頻干擾。在CAN接口處,并接了兩個瞬態(tài)電壓抑制二極管,在較強的干擾電壓下,二極管會發(fā)生短路,從而保護內(nèi)部元器件不被損壞。

CAN收發(fā)器PAC82C250的 RS引腳要接一個下拉電阻,電阻的大小可以控制總線的通訊速率,各個板卡可以采用不同的下拉電阻調(diào)節(jié)通訊速率,達到通訊速率的最優(yōu)化。

主控卡與各從卡通過CAN總線進行通訊,通訊采用擴展數(shù)據(jù)幀格式,總長度為128位,在擴展數(shù)據(jù)幀中給每個板卡定義了一個唯一的IP地址,實現(xiàn)了板卡類型和板卡號的自動識別。主卡通過此板卡號識別各個板卡,對數(shù)據(jù)進行歸類,然后將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機。

3.4 下位機與上位機的通訊

上位機與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通訊分為兩個部分設計,一部分是有線通訊,一部分是無線通訊。有線通訊部分采用RS232接口與上位機通訊,無線通訊部分采用的是專用的通訊模塊CWMDP03。CWMDP03無線透明傳輸模塊采用低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計,使用靈活方便,用戶可通過電腦根據(jù)使用需要自行設定相關(guān)工作參數(shù),不需要做任何后期技術(shù)開發(fā)即可完成產(chǎn)品的無線應用。一般情況下上位機使用無線通訊獲取數(shù)據(jù),當無線通訊獲取數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題時,上位機通過串口獲取保存在下位機flash中的數(shù)據(jù),保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會因為意外情況而丟失,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 上位機軟件

上位機軟件承擔人機接口的功能,軟件在總體上分為數(shù)據(jù)采集和結(jié)果顯示兩大部分。采集部分完成系統(tǒng)參數(shù)設置、板卡檢測、傳感器自平衡、配置串口、采集數(shù)據(jù)并存儲、實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)等功能;結(jié)果顯示部分可選擇需要顯示的曲線,并進行相應分析操作。本系統(tǒng)中上位機軟件采用Borland公司的Delphi編寫,界面友好,操作方便,并加入了數(shù)據(jù)庫功能以便查詢試驗數(shù)據(jù),滿足設計要求。

5 試驗結(jié)果

系統(tǒng)測試過程中,在外部條件惡劣的施工現(xiàn)場,本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定準確地采集應力、位移等信號,并能通過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C,通過上位機軟件實時顯示試驗曲線并分析試驗結(jié)果。圖5為一次試驗中采集到的位移傳感器的數(shù)據(jù)曲線。剛開始時樁基負載很小,形變大概為1mm。在15s左右的時候增加了負載,樁基緩慢的發(fā)生了形變。在50s左右的時候,負載達到最大,在55s時測得形變?yōu)?.10mm,之后形變基本保持穩(wěn)定。由圖可見,加載緩慢,曲線比較平緩,毛刺微乎其微,說明采集系統(tǒng)的精度比較高。

圖5 數(shù)據(jù)曲線

6 結(jié)語

本系統(tǒng)采用上位機控制軟件和下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相分離的模式,使數(shù)據(jù)采集不受上位機系統(tǒng)的影響,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用ARM系列單片機作為核心處理器,各板卡間采用CAN總線的方式進行通信,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速精確采集。在施工現(xiàn)場使用時,該無線測控系統(tǒng)使用方便,性能穩(wěn)定,滿足用戶需求。

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