摘要：設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于橋梁健康檢測的基于CAN總線2．OB協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶有CAN總線通信接口的數(shù)據(jù)采集與處理底層模塊以及具有實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制功能的上位機(jī)監(jiān)控模塊。底層模塊的硬件設(shè)計(jì)以C8051F060高速型單片機(jī)為核心，內(nèi)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(guān)鍵詞：CAN總線；數(shù)據(jù)采集；監(jiān)控系統(tǒng)；總線通訊

0 引言
    隨著交通建設(shè)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(guān)注。同時(shí)，既有的許多橋梁逐漸進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)維修階段，橋梁管理者對橋梁的養(yǎng)護(hù)也日益重視。
    傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用RS 485作為組網(wǎng)方式，而RS 485本身存在總線效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、通訊的可靠性低、后期維護(hù)成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛節(jié)點(diǎn)少、應(yīng)用不靈活等的局限性。本系統(tǒng)是基于CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)，解決了RS 485網(wǎng)絡(luò)的固有問題。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，擁有強(qiáng)有力的錯(cuò)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(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。CAN節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。因而CAN總線具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。

1 橋梁檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及功能
    橋梁檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)部分構(gòu)成(見圖1)。整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)底層模塊和一臺(tái)接有CAN總線通信板卡的上位機(jī)組成，采用主從結(jié)構(gòu)，通過接口卡來實(shí)現(xiàn)雙向通訊，由此可以及時(shí)得知工業(yè)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，從而保證了對現(xiàn)場遠(yuǎn)程測控的實(shí)時(shí)性。

    橋梁健康檢測需要采集的信號(hào)主要有應(yīng)變信號(hào)、加速度信號(hào)、位移信號(hào)和反力信號(hào)。數(shù)據(jù)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(yīng)的各種微變信號(hào)并對它們進(jìn)行初級(jí)處理、打包等操作，然后通過CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，從而使得上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。

2 橋梁檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    基于CAN總線的分布式信號(hào)調(diào)理模塊主要由單片機(jī)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(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)的硬件電路主要體現(xiàn)在底層模塊上，采用雙層電路板設(shè)計(jì)，上層電路主要為CPU模塊，是底層模塊電路板的核心，用以數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。下層電路是調(diào)理放大模塊，主要是對采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大。上層電路有數(shù)據(jù)采集模塊的核心部件——C8051F060單片機(jī)及其外圍電路和上下層連接件。下層電路包括了信號(hào)調(diào)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。

    濾波放大電路用于對傳感器送來的微弱信號(hào)進(jìn)行濾波放大以便于后面進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換。調(diào)理轉(zhuǎn)換電路把濾波放大后的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，其中比較重要的有A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換。傳輸電路主要用來接收命令和傳輸數(shù)據(jù)。

3 橋梁檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3．1 下位機(jī)軟件介紹
    下位機(jī)使用的是新華龍公司的C80F060單片機(jī)，它是完全集成的?昆合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，集成了兩個(gè)16位、1 MSPS的A／D轉(zhuǎn)換器。且?guī)в蠨MA控制器；集成有兩個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；集成有控制器局域網(wǎng)(CAN 2．0B)控制器，具有32個(gè)消息對象，每個(gè)消息對象有自己的標(biāo)識(shí)掩碼。下位機(jī)軟件主要是采集、處理和傳輸數(shù)據(jù)。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、計(jì)算、合并、選擇、存儲(chǔ)和傳送。為了使得檢測的數(shù)據(jù)更加的準(zhǔn)確，精度更高，數(shù)據(jù)采集部分采集的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過平滑處理才能傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。下位機(jī)程序中的數(shù)據(jù)處理就是完成這部分功能的，其他處理包括數(shù)據(jù)的打包等操作。數(shù)據(jù)采集采用定時(shí)采集的方式。其下位機(jī)程序流程圖如圖4所示。

    下位機(jī)數(shù)據(jù)的傳送是把采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)給上位機(jī)，并接收上位機(jī)傳給它的命令，每個(gè)模塊在軟件上都有自己的一個(gè)ID號(hào)便于數(shù)據(jù)傳輸和模塊識(shí)別。下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸程序框圖如圖5所示。

3．2 上位機(jī)軟件介紹
    上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是基于Borland公司的Delphi來實(shí)現(xiàn)的。Delphi支持多線程工作，并且在數(shù)據(jù)庫訪問操作上有很大的優(yōu)勢，而且Delphi支持多層應(yīng)用程序。
    上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、顯示、處理和保存等工作，由本地服務(wù)器端和遠(yuǎn)程客戶端組成。服務(wù)器端主要任務(wù)是接收CAN總線發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且將相應(yīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓值，顯示轉(zhuǎn)換值，將服務(wù)端的采集數(shù)據(jù)在客戶端動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中，遠(yuǎn)程傳輸采用B／S架構(gòu)，它能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫；同時(shí)也能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問權(quán)限，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫也很安全。上位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。

4 結(jié)語
    基于CAN總線的橋梁健康檢測系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場將電流電壓信號(hào)處理后通過CAN總線將數(shù)字量傳輸給上層，有效解決了橋梁檢測中模擬信號(hào)長距離傳輸問題，徹底解決了模擬信號(hào)在傳輸過程中的失真問題。同時(shí)，利用Delphi編寫的上位機(jī)監(jiān)控軟件能實(shí)時(shí)的多通道的監(jiān)控各個(gè)底層模塊的現(xiàn)場狀況并對每個(gè)通道根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)及波形圖進(jìn)行調(diào)零、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等操作，客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器端同步的監(jiān)控與控制，滿足了現(xiàn)場測控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及遠(yuǎn)程監(jiān)控的同步性。本監(jiān)控系統(tǒng)在試驗(yàn)橋上運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能長期、連續(xù)、有效地監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前應(yīng)用于實(shí)際橋梁檢測項(xiàng)目中。