曾科

【摘 要】本文介紹了一種應(yīng)用于鋼索預(yù)應(yīng)力健康監(jiān)測(cè)的測(cè)量結(jié)構(gòu)，以單片機(jī)、現(xiàn)代通信技術(shù)為核心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)LabWindows編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】鋼索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和預(yù)應(yīng)力鋼筋等是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關(guān)系到橋梁等工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)與使用壽命。在對(duì)這些工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全健康監(jiān)測(cè)[1]過(guò)程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表對(duì)磁通量傳感器[2]進(jìn)行操作測(cè)量各鋼索的力值。由于工程結(jié)構(gòu)的鋼索力值產(chǎn)生變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此鋼索力值監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)要求不高，每天測(cè)量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測(cè)量?jī)x表的數(shù)量，用一臺(tái)或少量?jī)x表測(cè)量多個(gè)傳感器的集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)成為必要。

1 結(jié)構(gòu)原理

在對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為了了解整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全健康情況，需要上百甚至幾百個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析，為了避免傳統(tǒng)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表配一個(gè)磁通量傳感器的測(cè)量結(jié)構(gòu)方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時(shí)分測(cè)量等技術(shù)，設(shè)計(jì)一集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力儀表測(cè)量操作只能同時(shí)測(cè)一個(gè)磁通量傳感器的要求，測(cè)量具有唯一性。在結(jié)構(gòu)框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統(tǒng)，作為一個(gè)子系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)485通訊線給預(yù)應(yīng)力儀表和集線控制器發(fā)出操作指令。首先，集線控制器根據(jù)操作指令通過(guò)控制總線輸出信號(hào)控制集線器，多個(gè)集線器根據(jù)唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯(lián)通起來(lái)，并把其他的通道斷開(kāi)，完成操作后對(duì)應(yīng)的控制器通過(guò)485通訊線返回準(zhǔn)備好指令；其次，上位機(jī)收到準(zhǔn)備好指令后發(fā)出測(cè)量操作指令，預(yù)應(yīng)力儀表根據(jù)操作指令開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量操作，完成測(cè)量操作后返回測(cè)量數(shù)據(jù)給上位機(jī)。通過(guò)上述過(guò)程，可以完成所有磁通量傳感器的測(cè)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以插箱模塊化設(shè)計(jì)，包括兩種類(lèi)型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數(shù)量的集線器，最大可達(dá)8塊集線器模塊，每個(gè)集線器模塊可接8個(gè)磁通量傳感器，一個(gè)子系統(tǒng)最大可控制64個(gè)傳感器。通過(guò)485總線連接，可由多個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)大系統(tǒng)。子系統(tǒng)插箱結(jié)構(gòu)圖如圖2，以5個(gè)集線器為例。

圖2 插箱結(jié)構(gòu)圖

在插箱結(jié)構(gòu)圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號(hào)（初級(jí)高壓、次級(jí)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令，處理指令并通過(guò)控制總線控制集線器，并對(duì)傳感器信號(hào)作保護(hù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

在控制器結(jié)構(gòu)圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機(jī)，6根傳感器通路直接導(dǎo)通到連接器1，中間有高壓保護(hù)和浪涌保護(hù)電路，連接器1通過(guò)底板連接到集線器；485總線信號(hào)經(jīng)過(guò)通訊電路模塊轉(zhuǎn)換電氣信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)處理[3]從上位機(jī)下達(dá)的指令，判斷是否是本子系統(tǒng)的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統(tǒng)指令，根據(jù)指令內(nèi)容單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制總線信號(hào)，經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)連接器連接到集線器，最后返回應(yīng)答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開(kāi)關(guān)作用，根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷，其結(jié)構(gòu)圖如圖4：

圖4 集線器結(jié)構(gòu)圖

在集線器結(jié)構(gòu)圖（圖4）中，控制總線信號(hào)經(jīng)連接器1進(jìn)來(lái)，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，把判斷結(jié)果信號(hào)提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據(jù)判斷結(jié)果信號(hào)和控制總線信號(hào)得出8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的8個(gè)控制信號(hào)，8個(gè)控制信號(hào)最多只有一個(gè)為接通開(kāi)關(guān)模塊，如果不是本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊全部斷開(kāi)，如果是則有一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊接通，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后控制8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的動(dòng)作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊由3組6個(gè)開(kāi)關(guān)組成，其中傳感器初級(jí)信號(hào)線為100～400V電壓、最大16A電流的信號(hào)，開(kāi)關(guān)模塊中控制傳感器初級(jí)信號(hào)線的2個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓大電流開(kāi)關(guān)，其余4個(gè)開(kāi)關(guān)為普通開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊分別與8個(gè)傳感器接頭連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabWindows[4]編程，構(gòu)建成安裝包在工控機(jī)或普通電腦上安裝運(yùn)行，軟件通過(guò)RS485通訊鏈路控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的測(cè)量操作，如果RS485采用無(wú)線通訊或GPS通訊形式，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機(jī)軟件主界面

上位機(jī)軟件主界面（圖5）分為3個(gè)操作區(qū)域：?jiǎn)蝹鞲衅鳒y(cè)量、多傳感器測(cè)量和通訊設(shè)置。其中，單傳感器測(cè)量區(qū)域，可進(jìn)行一個(gè)傳感器的測(cè)量操作，方便單個(gè)傳感器的測(cè)試操作；多傳感器測(cè)量區(qū)域，進(jìn)行多個(gè)或多次傳感器循序測(cè)量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設(shè)置區(qū)域，設(shè)置RS485通訊的參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提及的集線器測(cè)量結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、成本低等的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于變量緩慢變化、實(shí)時(shí)性不高的測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)構(gòu)比較具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測(cè)中有多個(gè)成功應(yīng)用案例。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李鵬飛，吳太成.橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究綜述[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2011（1）：29-33.

[2]鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008（2）：17-20.

[3]趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，4.

[4]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化工工業(yè)出版社，2011，8.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】本文介紹了一種應(yīng)用于鋼索預(yù)應(yīng)力健康監(jiān)測(cè)的測(cè)量結(jié)構(gòu)，以單片機(jī)、現(xiàn)代通信技術(shù)為核心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)LabWindows編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】鋼索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和預(yù)應(yīng)力鋼筋等是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關(guān)系到橋梁等工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)與使用壽命。在對(duì)這些工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全健康監(jiān)測(cè)[1]過(guò)程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表對(duì)磁通量傳感器[2]進(jìn)行操作測(cè)量各鋼索的力值。由于工程結(jié)構(gòu)的鋼索力值產(chǎn)生變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此鋼索力值監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)要求不高，每天測(cè)量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測(cè)量?jī)x表的數(shù)量，用一臺(tái)或少量?jī)x表測(cè)量多個(gè)傳感器的集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)成為必要。

1 結(jié)構(gòu)原理

在對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為了了解整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全健康情況，需要上百甚至幾百個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析，為了避免傳統(tǒng)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表配一個(gè)磁通量傳感器的測(cè)量結(jié)構(gòu)方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時(shí)分測(cè)量等技術(shù)，設(shè)計(jì)一集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力儀表測(cè)量操作只能同時(shí)測(cè)一個(gè)磁通量傳感器的要求，測(cè)量具有唯一性。在結(jié)構(gòu)框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統(tǒng)，作為一個(gè)子系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)485通訊線給預(yù)應(yīng)力儀表和集線控制器發(fā)出操作指令。首先，集線控制器根據(jù)操作指令通過(guò)控制總線輸出信號(hào)控制集線器，多個(gè)集線器根據(jù)唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯(lián)通起來(lái)，并把其他的通道斷開(kāi)，完成操作后對(duì)應(yīng)的控制器通過(guò)485通訊線返回準(zhǔn)備好指令；其次，上位機(jī)收到準(zhǔn)備好指令后發(fā)出測(cè)量操作指令，預(yù)應(yīng)力儀表根據(jù)操作指令開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量操作，完成測(cè)量操作后返回測(cè)量數(shù)據(jù)給上位機(jī)。通過(guò)上述過(guò)程，可以完成所有磁通量傳感器的測(cè)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以插箱模塊化設(shè)計(jì)，包括兩種類(lèi)型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數(shù)量的集線器，最大可達(dá)8塊集線器模塊，每個(gè)集線器模塊可接8個(gè)磁通量傳感器，一個(gè)子系統(tǒng)最大可控制64個(gè)傳感器。通過(guò)485總線連接，可由多個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)大系統(tǒng)。子系統(tǒng)插箱結(jié)構(gòu)圖如圖2，以5個(gè)集線器為例。

圖2 插箱結(jié)構(gòu)圖

在插箱結(jié)構(gòu)圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號(hào)（初級(jí)高壓、次級(jí)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令，處理指令并通過(guò)控制總線控制集線器，并對(duì)傳感器信號(hào)作保護(hù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

在控制器結(jié)構(gòu)圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機(jī)，6根傳感器通路直接導(dǎo)通到連接器1，中間有高壓保護(hù)和浪涌保護(hù)電路，連接器1通過(guò)底板連接到集線器；485總線信號(hào)經(jīng)過(guò)通訊電路模塊轉(zhuǎn)換電氣信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)處理[3]從上位機(jī)下達(dá)的指令，判斷是否是本子系統(tǒng)的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統(tǒng)指令，根據(jù)指令內(nèi)容單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制總線信號(hào)，經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)連接器連接到集線器，最后返回應(yīng)答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開(kāi)關(guān)作用，根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷，其結(jié)構(gòu)圖如圖4：

圖4 集線器結(jié)構(gòu)圖

在集線器結(jié)構(gòu)圖（圖4）中，控制總線信號(hào)經(jīng)連接器1進(jìn)來(lái)，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，把判斷結(jié)果信號(hào)提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據(jù)判斷結(jié)果信號(hào)和控制總線信號(hào)得出8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的8個(gè)控制信號(hào)，8個(gè)控制信號(hào)最多只有一個(gè)為接通開(kāi)關(guān)模塊，如果不是本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊全部斷開(kāi)，如果是則有一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊接通，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后控制8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的動(dòng)作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊由3組6個(gè)開(kāi)關(guān)組成，其中傳感器初級(jí)信號(hào)線為100～400V電壓、最大16A電流的信號(hào)，開(kāi)關(guān)模塊中控制傳感器初級(jí)信號(hào)線的2個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓大電流開(kāi)關(guān)，其余4個(gè)開(kāi)關(guān)為普通開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊分別與8個(gè)傳感器接頭連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabWindows[4]編程，構(gòu)建成安裝包在工控機(jī)或普通電腦上安裝運(yùn)行，軟件通過(guò)RS485通訊鏈路控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的測(cè)量操作，如果RS485采用無(wú)線通訊或GPS通訊形式，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機(jī)軟件主界面

上位機(jī)軟件主界面（圖5）分為3個(gè)操作區(qū)域：?jiǎn)蝹鞲衅鳒y(cè)量、多傳感器測(cè)量和通訊設(shè)置。其中，單傳感器測(cè)量區(qū)域，可進(jìn)行一個(gè)傳感器的測(cè)量操作，方便單個(gè)傳感器的測(cè)試操作；多傳感器測(cè)量區(qū)域，進(jìn)行多個(gè)或多次傳感器循序測(cè)量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設(shè)置區(qū)域，設(shè)置RS485通訊的參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提及的集線器測(cè)量結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、成本低等的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于變量緩慢變化、實(shí)時(shí)性不高的測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)構(gòu)比較具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測(cè)中有多個(gè)成功應(yīng)用案例。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李鵬飛，吳太成.橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究綜述[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2011（1）：29-33.

[2]鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應(yīng)用[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2008（2）：17-20.

[3]趙建領(lǐng).51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，4.

[4]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：化工工業(yè)出版社，2011，8.

[責(zé)任編輯：湯靜]

【摘 要】本文介紹了一種應(yīng)用于鋼索預(yù)應(yīng)力健康監(jiān)測(cè)的測(cè)量結(jié)構(gòu)，以單片機(jī)、現(xiàn)代通信技術(shù)為核心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)LabWindows編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】鋼索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的體外索和預(yù)應(yīng)力鋼筋等是工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關(guān)系到橋梁等工程結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)與使用壽命。在對(duì)這些工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全健康監(jiān)測(cè)[1]過(guò)程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表對(duì)磁通量傳感器[2]進(jìn)行操作測(cè)量各鋼索的力值。由于工程結(jié)構(gòu)的鋼索力值產(chǎn)生變化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此鋼索力值監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)要求不高，每天測(cè)量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測(cè)量?jī)x表的數(shù)量，用一臺(tái)或少量?jī)x表測(cè)量多個(gè)傳感器的集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)成為必要。

1 結(jié)構(gòu)原理

在對(duì)預(yù)應(yīng)力工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的力值監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為了了解整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全健康情況，需要上百甚至幾百個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析，為了避免傳統(tǒng)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力測(cè)量?jī)x表配一個(gè)磁通量傳感器的測(cè)量結(jié)構(gòu)方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時(shí)分測(cè)量等技術(shù)，設(shè)計(jì)一集線器結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)一臺(tái)預(yù)應(yīng)力儀表測(cè)量操作只能同時(shí)測(cè)一個(gè)磁通量傳感器的要求，測(cè)量具有唯一性。在結(jié)構(gòu)框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統(tǒng)，作為一個(gè)子系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)485通訊線給預(yù)應(yīng)力儀表和集線控制器發(fā)出操作指令。首先，集線控制器根據(jù)操作指令通過(guò)控制總線輸出信號(hào)控制集線器，多個(gè)集線器根據(jù)唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯(lián)通起來(lái)，并把其他的通道斷開(kāi)，完成操作后對(duì)應(yīng)的控制器通過(guò)485通訊線返回準(zhǔn)備好指令；其次，上位機(jī)收到準(zhǔn)備好指令后發(fā)出測(cè)量操作指令，預(yù)應(yīng)力儀表根據(jù)操作指令開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量操作，完成測(cè)量操作后返回測(cè)量數(shù)據(jù)給上位機(jī)。通過(guò)上述過(guò)程，可以完成所有磁通量傳感器的測(cè)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以插箱模塊化設(shè)計(jì)，包括兩種類(lèi)型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數(shù)量的集線器，最大可達(dá)8塊集線器模塊，每個(gè)集線器模塊可接8個(gè)磁通量傳感器，一個(gè)子系統(tǒng)最大可控制64個(gè)傳感器。通過(guò)485總線連接，可由多個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)大系統(tǒng)。子系統(tǒng)插箱結(jié)構(gòu)圖如圖2，以5個(gè)集線器為例。

圖2 插箱結(jié)構(gòu)圖

在插箱結(jié)構(gòu)圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號(hào)（初級(jí)高壓、次級(jí)信號(hào)、溫度傳感器信號(hào)），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令，處理指令并通過(guò)控制總線控制集線器，并對(duì)傳感器信號(hào)作保護(hù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 控制結(jié)構(gòu)圖

在控制器結(jié)構(gòu)圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機(jī)，6根傳感器通路直接導(dǎo)通到連接器1，中間有高壓保護(hù)和浪涌保護(hù)電路，連接器1通過(guò)底板連接到集線器；485總線信號(hào)經(jīng)過(guò)通訊電路模塊轉(zhuǎn)換電氣信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)處理[3]從上位機(jī)下達(dá)的指令，判斷是否是本子系統(tǒng)的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統(tǒng)指令，根據(jù)指令內(nèi)容單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制總線信號(hào)，經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)連接器連接到集線器，最后返回應(yīng)答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開(kāi)關(guān)作用，根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷，其結(jié)構(gòu)圖如圖4：

圖4 集線器結(jié)構(gòu)圖

在集線器結(jié)構(gòu)圖（圖4）中，控制總線信號(hào)經(jīng)連接器1進(jìn)來(lái)，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，把判斷結(jié)果信號(hào)提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據(jù)判斷結(jié)果信號(hào)和控制總線信號(hào)得出8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的8個(gè)控制信號(hào)，8個(gè)控制信號(hào)最多只有一個(gè)為接通開(kāi)關(guān)模塊，如果不是本集線器的開(kāi)關(guān)模塊需要接通，8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊全部斷開(kāi)，如果是則有一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊接通，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后控制8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的動(dòng)作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊由3組6個(gè)開(kāi)關(guān)組成，其中傳感器初級(jí)信號(hào)線為100～400V電壓、最大16A電流的信號(hào)，開(kāi)關(guān)模塊中控制傳感器初級(jí)信號(hào)線的2個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓大電流開(kāi)關(guān)，其余4個(gè)開(kāi)關(guān)為普通開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊分別與8個(gè)傳感器接頭連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabWindows[4]編程，構(gòu)建成安裝包在工控機(jī)或普通電腦上安裝運(yùn)行，軟件通過(guò)RS485通訊鏈路控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的測(cè)量操作，如果RS485采用無(wú)線通訊或GPS通訊形式，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機(jī)軟件主界面

上位機(jī)軟件主界面（圖5）分為3個(gè)操作區(qū)域：?jiǎn)蝹鞲衅鳒y(cè)量、多傳感器測(cè)量和通訊設(shè)置。其中，單傳感器測(cè)量區(qū)域，可進(jìn)行一個(gè)傳感器的測(cè)量操作，方便單個(gè)傳感器的測(cè)試操作；多傳感器測(cè)量區(qū)域，進(jìn)行多個(gè)或多次傳感器循序測(cè)量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設(shè)置區(qū)域，設(shè)置RS485通訊的參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提及的集線器測(cè)量結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、成本低等的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于變量緩慢變化、實(shí)時(shí)性不高的測(cè)量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)構(gòu)比較具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測(cè)中有多個(gè)成功應(yīng)用案例。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]