摘要 大型橋梁健康監(jiān)測及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前在橋梁的施工及其運營中是一個比 較新的研究方向，其內容涵蓋了橋梁結構設計分析和自控領域數(shù)據(jù)采集兩大方面， 根據(jù)橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的特點，通常采用分布式采集的方法。本文結合國內外的研究 實例，針對國內大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)近幾年的蓬勃發(fā)展，力爭系統(tǒng)地對分布式 數(shù)據(jù)采集在橋梁健康監(jiān)測的應用做一個較為全面的研究。 在總結了健康監(jiān)測中常用的各種傳感器輸入輸出以及采集要求的基礎上，單 獨將這部分傳感器數(shù)據(jù)轉換設計為數(shù)據(jù)采集的前端模塊。根據(jù)不同的橋梁結構和 監(jiān)測要求，主要設計了基于r s 4 8 5 和工業(yè)以太網(wǎng)兩種總線的智能調理器設備，智 能調理器用于將傳感器的數(shù)據(jù)傳送到總線上，以一定的協(xié)議和遠程監(jiān)測站通信， 這種總線系統(tǒng)減少了旌工的工程量，提高了數(shù)據(jù)的采集精度。文中詳細分析了基 于這兩種智能調理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，智能調理器及其相關設備的軟硬件設 計。最后一章還簡要分析了健康監(jiān)測中用到的其它數(shù)據(jù)采集方案。目前這些設備 已經(jīng)在實際中得到良好的運用。 關鍵詞：大型橋梁；健康監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集：r s 4 8 5 ；工業(yè)以太網(wǎng) a b s t r a c t t h es y s t e mo fh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o nf o r1 a r g eb r i d g e i san e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nc o n s t r u c t i o na n dr u n n i n go fb r i d g ea tp r e s e n t i ti n c l u d e st h es t r u c t u r ed e s i g na n a l v z eo fb r i d g ea n dd a t aa c q u i s i t i o n o fa u t o m a t i c d o m a i n ，a c c o r d i n gt o t h e s y s t e m sc h a r a c t e ro fb r i d g e m o n i t o r i n g ， t h ed i s t r i b u t e ds v s t e mi so f t e nu s e d i t ht h es a m p l eo f r e s e a r c hi nb o t hh e r ea n da b r o a d af u l l s c a l er e s e a r c ho fd a t aa c a u i s i t i o n h a sb e e nm a d ei nt h ea p p l i c a t i o no fb r i d g eh e a l t hm o n i t o r i n ga c c o r d i n gt o t h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cm o n i t o r i n gs y s t e 【f 【 af r o n tm o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o nh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ei o o fa 1 1k i n d so fs e n s o r sa n dr e 口u i r e l e n to fc o l l e c t i o n t w os m a r t c o n d i t i o n e r sa l s oh a v eb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t o ft h eb r i d g es t r u c t u r ea n dm o n i t o r i n gc o n t e n t ，t h es m a r tc o n d i t i o n e rs e n d t h ed a t ao fs e n s o rt ot h el a na n dc o m m u n i c a t ew i t ht h e1 0 n g d i s t a n c es t a t i o n t h i sl a ns v s t e mr e d u c et h ea m o u n to fw o r ka n di f i l d r o v et h ea c q u i s t i o n p r e c i s i o no fd a t a t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e j i lb a s e do nt w os m a r tc o n d i t i o n s a n dt h ed e v i c eo fs m a r tc o n d i t i o n e ra n di t sc o r r e l a t i o nh a v eb e e na n a l v z e d t h eo t h e rd a t aa c q u i s i t i o nd r oj e c th a sb e e na n a l v z e di nt h el a s tc h a p t e r t h i sd e v i c eh a sb e e n u s e di nt h ea c t u a ld r oj e c t 1 【e yw o r d s ：l g eb r i d g e ；h e a i t h i n gm o n i t o r i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；r s 4 8 5 ； 1 1 1 d u s t r i a le t h e 1 e t l t 插圖索引 2 一l 惠斯登電橋比率測量方法6 3 一l 大型橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)1 l 3 2 實驗室中模擬現(xiàn)場在運行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1 2 3 3 1r s 4 8 5 總線錯誤與正確的網(wǎng)絡配置“1 2 3 4r s 4 8 5 總線共模干擾問題1 4 3 54 8 5 智能調理器的電路結構框圖1 6 3 6r s 4 8 5 偏置電阻”1 6 3 7r s 4 8 5 總線的兩級防護電路圖1 8 3 8 智能調理器軟件串行中斷服務程序流程圖2 0 3 9r s 4 8 5 中繼器電路結構圖2 0 3 一l o 利用4 8 5 中繼器延長r s 4 8 5 總線距離2 1 3 一兒利用4 8 5 中繼器解決r s 4 8 5 總線分叉問題2 1 3 一1 2 正在組裝的前置機系統(tǒng)2 3 3 1 3 遠程監(jiān)測站中運行的上位機系統(tǒng)2 4 3 一1 4 調試中的手操器。2 5 4 一l 基于工業(yè)以太網(wǎng)的大型橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)2 9 4 2 以太網(wǎng)智能調理器電路結構圖3 4 4 3t c p i p 四層結構圖3 5 4 4 數(shù)據(jù)進入?yún)f(xié)議棧時的封裝過程3 9 4 5m o d b u s 數(shù)據(jù)幀格式4 0 4 6u d p 端口調試軟件發(fā)送一幀數(shù)據(jù)4 2 4 7u d p 發(fā)送接收數(shù)據(jù)a r p 參與過程4 4 4 8 網(wǎng)絡工具c o m m v i e w 跟蹤u d p 數(shù)據(jù)采集4 5 4 9 查看a r p 高速緩沖區(qū)4 5 4 一l o 上位機發(fā)送a r p 廣播幀4 6 4 1 l 以太網(wǎng)智能調理器返回a r p 幀4 6 4 一1 2 上位機請求u d p 數(shù)據(jù)幀4 9 4 一1 3 以太網(wǎng)智能調理器返回u d p 數(shù)據(jù)幀5 0 4 1 4 登陸w e b 服務器的過程一“5 1 4 一1 5w e b 服務器頁面- “5 2 4 一1 6 采用m i d s p a n 的p o e 系統(tǒng)工作示意圖5 3 4 一1 74 8 v 電源加在信號線對或備用線對上5 4 4 一1 8m a x 5 9 4 l 內部電路框圖5 7 4 1 9 以太網(wǎng)供電電路圖一。5 9 5 1 無線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖6 2 i i i 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖 圖5 2 無線采集器電路圖 圖5 3 無線w e b 服務器電路結構框圖 圖5 4 客戶端瀏覽到的w e b 頁面 舛 附表索引 表2l 大型橋梁健康監(jiān)測中常用的傳感器5 表3 1m o d b u s 協(xié)議信息幀結構1 8 表3 2 兩個常用的m o d b u s 功能碼1 9 表4 1r t l 8 0 1 9 地址線對應的二進制3 4 表4 2 以太網(wǎng)物理傳輸幀3 7 表4 3m o d b u s 常用公共功能代碼4 1 表4 4 傳送一幀m o d b u s t c p 數(shù)據(jù)4 9 表4 5i e e e 8 0 2 3 a f 對于p d 偵測特征的規(guī)定一5 4 表4 6 工e e e 8 0 2 3 a f 對于p d 分級的規(guī)定5 5 表5 1 無線w e b 服務器協(xié)議格式6 5 v 蘭州理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取 得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個 人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果 由本人承擔。 儲虢藤紅渡 日期：7 叩f 年年月7 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學 校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權蘭州理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入 有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論文。 本學位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權書。 2 、不保密團。 ( 請在以上相應方框內打“”) 作者簽名： 導師簽名： 日期：矽占年爭月9 日 日期：。u 年￥月p 日 積飛 紗曲、 琢下f 第1 章緒論 1 1 本研究課題的學術背景與實際意義 隨著科學技術的進步，作為基礎設施的橋梁工程，其建設規(guī)模越來越大，造價 越來越高。并且大型橋梁在國民經(jīng)濟和社會生活中起著舉足輕重的作用。由于氣候、 環(huán)境等自然因素的作用和日益增加的交通量及重車、超重車過橋數(shù)量的不斷增加， 橋梁結構使用功能的退化必然發(fā)生，在我國經(jīng)濟迅速發(fā)展的形勢下，對于交通運輸 能力的要求也在不斷提高，不少橋梁的老化和功能退化已呈現(xiàn)加速的趨勢。對已有 橋梁特別是對交通運輸有重大影響的大跨徑橋梁進行必要的監(jiān)測和相應的養(yǎng)護，對 于確保橋梁安全運營，延長橋梁的使用壽命是十分必要。早期發(fā)現(xiàn)橋梁病害能大大 節(jié)約維修費用，可以避免因關閉交通而引起的損失。 1 9 9 4 年1 0 月韓國漢城發(fā)生了橫跨漢江的圣水大橋中央斷塌5 0 ，其中1 5 m 掉入江 中，造成死亡3 2 人，重傷1 7 人的重大事故。據(jù)稱造成橋梁在行車高峰期突然斷裂的 原因是長期超負荷運營，鋼析梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。 我國早期建造的斜拉橋，由于拉索的防護措施不夠合理、可靠而引起斜拉索的 嚴重銹蝕。如濟南黃河橋、廣州海印橋的斜拉索在遠沒有達到他們設計壽命的情況 下，被迫全部更換，造成很大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。 韓國圣水大橋毀橋事故及我國濟南黃河橋和廣州海印橋的斜拉索被迫提前更 換與很多因素有關，但是缺乏有效的監(jiān)測措施和必要的維修、養(yǎng)護措施是最重要的 原因之。 過去十幾年里，我國己建成一批大跨度的橋梁，僅上海的黃浦江上就有南浦、 楊浦和徐浦大橋等具有世界先進水平的橋梁。為了確保大型橋梁結構的使用安全性 和耐久性，減少和避免國家、人民生命財產(chǎn)的重大損失，進行大型橋梁結構工作狀態(tài) 和結構特性參數(shù)的監(jiān)測和評估工作已迫在眉睫。為了確保這些耗資巨大、與國計民 生密切相關的大橋的安全耐久，許多研究人員都在致力于研究針對橋梁或其他結構 的監(jiān)測及其相應的數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)，就是在大型橋梁上合適的位置安裝合適的 傳感器，利用符臺橋梁數(shù)據(jù)采集要求的嵌入式采集設備，將數(shù)據(jù)傳送到較遠距離的 遠程監(jiān)測站，分析橋梁的結構狀態(tài)，對橋梁的健康狀況做出評估，進行維護。橋梁 安全監(jiān)測正日益成為土木工程學科和自動化監(jiān)測學科交叉的一個非?；钴S的研究 、 方向。 1 2 大型橋梁健康監(jiān)測及其數(shù)據(jù)采集的國內外研究動態(tài) 目前，國內外的許多大學及研究機構都在積極投入人力、財力研制開發(fā)針對橋 梁或其他土木工程的安全監(jiān)測系統(tǒng)。其中包括研究使用先進方法來測量土木工程的 一些指標，如位移，應變等。在過去的二十年間，各類新型的傳感器相繼投入使用， 如早先用于航空工業(yè)的光纖傳感器、新近投入使用的數(shù)字溫度傳感器等。儀器設備 的發(fā)展使得測量變得相對簡單而且使得處理數(shù)據(jù)的速度變得很快甚至可以達到實 時處理。下面扼要介紹國際國內在橋梁監(jiān)測及其數(shù)據(jù)自動化采集方面的研究動態(tài)。 1 2 1 國外研究動態(tài) 加拿大q u e b e c 的p o r t n e u f 橋是一座小跨徑高強度混凝土后張式橋。橋上裝有 的先進的溫度及靜態(tài)應變監(jiān)測系統(tǒng)。橋上有1 4 個溫度及應變測點。利用調制、解 調技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集并且遠距離傳輸，從而監(jiān)測橋梁的溫度變化及應變變 化。 美國的z u i 等研制出一種在斜拉橋或懸索橋建造過程中用來調整索力的自動索 力測量儀。該儀器設計基于振動測量及分析技術，使得現(xiàn)場自動化采集數(shù)據(jù)、分析 數(shù)據(jù)成為可能”1 。 人們經(jīng)常采用測量結構在外荷載作用下的動力響應來分析結構的動力特性。 g i l a n i 等最近在美國加州一座四跨高架橋上運用動力測量來考察橋梁改造的可能 性。他們運用高精度數(shù)字采集系統(tǒng)及現(xiàn)場計算機來完成對橋梁的自動化測量和初步 分析工作。 美國的a b d e 卜g h a f l a r ，m a s r i a n dn i b o r 在洛杉礬的v i n c e n tt h o m a s 橋上進 行了一次考察其動力特性的振動測試。一個1 9 位( b i t ) 的a d 轉換數(shù)字采集系統(tǒng) 將臨時和已有的地震記錄系統(tǒng)連接起來。用一個封閉的數(shù)字通信系統(tǒng)來進行遠距離 控制及數(shù)據(jù)采集。在一天中的不同時刻及不同的交通情況下，通過自動采集環(huán)境隨 機振動數(shù)據(jù)來評價當時振動的模態(tài)參數(shù)?！啊?佛羅里達的s u n s h i n es k y w a y 橋上安裝有一套綜合的設備。它們用來測量在建 造中和建成后橋梁的溫度、應變及位移，同時通過近距離和遠距離兩種方式自動采 集數(shù)據(jù)。在建造中，結構及材料隨時間變化的特性可以通過分析測量數(shù)據(jù)來得出”1 。 蘇格蘭的k i n g s t o n 橋是一座舊橋，橋上裝有一套安全監(jiān)測系統(tǒng)，能夠遠距離 自動監(jiān)測橋梁位移、應變、溫度及風力的變化。監(jiān)測的目的是為了幫助橋梁工程師 在修復這座橋期間避免發(fā)生倒塌事故。監(jiān)測計算機裝有報警裝置，它能在異常風速 或其他異常情況下提醒橋梁管理部門0 1 泰國的r a m ai x 橋和韓國的n 鋤h a e 橋上都安裝了縮寫名為o a s i s ( 結構安全與 完整在線警報系統(tǒng)) 的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以自動探測異常風速及異常振動情況，長期 監(jiān)測橋梁動力特性的改變，從而測出疲勞損傷。該系統(tǒng)把相距很遠的橋上儀器、監(jiān) 視計算機和實時數(shù)字分析儀通過電線及光纖連接。 紐約交通局的a l a m p a l l i 等在紐約的卜一4 9 0 c o n r a 訂橋上安裝了一套遠距離 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。這套系統(tǒng)運用動力測量及基于模態(tài)參數(shù)的分析技術來探測橋梁結構 長期的退化或損壞。紐約州的有關部門正在把這套系統(tǒng)推廣應用到其他橋梁上”1 。 辛辛那提大學基礎設施研究所的a k t a n 等曾在結構狀況監(jiān)測儀器商品化方面做 過詳細的研究。后來他們研制出一種基于商品化技術的輕便的現(xiàn)場儀器，用來對橋 2 梁現(xiàn)狀進行長期和短期的監(jiān)測。后來這種橋梁監(jiān)測的系統(tǒng)被辛辛那提州政府推廣應 用，大約有六座橋梁將裝上這種儀器。 在奧克拉哈馬p u r c e l l 附近的w a l n u tc r e e k 橋上也裝有類似的裝置。這座橋 上裝有“地震振動主動吸收儀”，同時還有用于監(jiān)測反饋及響應特性的監(jiān)測系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝有m o d e m 通信回路，這樣可以遠距離監(jiān)測及控制。 由以新墨西哥大學m i n glw a n g 教授為主以及圣母大學、香港科技大學等單位 聯(lián)合組織的攻關小組，最近正致力于開發(fā)一種高級的、針對長跨橋梁的監(jiān)測系統(tǒng)。 項目的目標是運用專家系統(tǒng)、新一代的傳感器及無線通信系統(tǒng)組成一套橋梁自動監(jiān) 測系統(tǒng)”。 1 2 2 國內研究動態(tài) 目前，在國內大多數(shù)大規(guī)模的橋梁上都已經(jīng)安裝有各種自動監(jiān)測裝置，已經(jīng)建 成和在建的如上海盧浦大橋、杭州灣跨海大橋、潤揚長江大橋、深圳灣大橋、南京 長江三橋等都配各了齊全的多種傳感器進行大橋的實時監(jiān)測，還有一些早些時間建 成的大橋進行健康監(jiān)測的改造，如江陰長江公路大橋等。 設立潤揚大橋結構安全監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用現(xiàn)代化的傳感技術、測試技術、計 算機技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡通訊通信技術對橋梁的工作環(huán)境、橋梁的結構狀態(tài)、橋梁在軍 載等各類外部荷載因素作用下的響應進行實時自動化監(jiān)測，及時掌握橋梁的結構狀 態(tài)，全面了解橋梁的運營條件及質量退化狀況，為橋梁的運營管理、養(yǎng)護維修、可 靠性評估以及科學研究提供依據(jù)?！薄?南京長江第三大橋將在國內首次建立全面的橋梁結構健康智能監(jiān)控系統(tǒng)，對施 工中的大橋和成橋后的橋梁各個重要部位進行實時監(jiān)控。通過電腦對大橋的梁、柱、 應力應變、受力情況、位移情況等進行監(jiān)測分析。 1 3 本研究課題的來源 甘肅省科技攻關項目“基于互聯(lián)網(wǎng)的微控制器產(chǎn)品開發(fā)及關鍵技術” ( 2 g s 0 3 5 一a 5 2 一0 0 7 一0 2 ) 國家自然科學基金項目“特大跨度橋梁施工及運營階段智能健康監(jiān)測與控制技術 研究”項目批準號：5 0 2 7 8 0 7 9 南京長江第三大橋 深圳灣跨海公路大橋 1 4 本文主要研究內容 在大型橋梁健康監(jiān)測工作中，數(shù)據(jù)采集是整個監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的一個環(huán)節(jié)。 由于國內的大型橋梁健康監(jiān)測也是剛剛起步時間不長，基本上還沒有自主開發(fā)的用 于大型橋梁數(shù)據(jù)自動化采集的相應產(chǎn)品大多數(shù)情況下都是購買國外的產(chǎn)品，或者 用自動化領域目前通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，比如虛擬儀器的集中式采集方案，即傳感 器星型連接將各個傳感器分別用獨立電纜連接到中央采集站，由中央采集站將所 有連接的信號集中調理發(fā)送到上位機，這種方式線路布設復雜，并且由于傳輸距離 太遠，對于橋梁監(jiān)測中的較多使用的傳感器微弱信號會造成數(shù)據(jù)的失真。 分布式采集系統(tǒng)采用總線結構，各個傳感器的輸出信號用很短的電纜連接到智 能調理器，經(jīng)過處理后，智能調理器將采集到的數(shù)據(jù)以抗干擾能力強的差分數(shù)字信 號方式發(fā)送到總線上。這種分布式采集是未來橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一個趨勢，但是 對于對橋梁做健康監(jiān)測這樣的跨學科跨專業(yè)的交叉學科來說，設計一系列數(shù)據(jù)采集 產(chǎn)品對于土木橋梁工程專業(yè)是比較困難的，目前急需的就是充分利用自動化領域的 知識，開發(fā)實用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的嵌入式產(chǎn)品。因此本文也從多個方面研究 了如何將自動化技術運用于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中，主要目的是設計適合于橋梁使用 的智能調理器以及基于智能調理器的數(shù)據(jù)自動化采集方案，并在此基礎上討論相關 產(chǎn)品方案的設計。 本文首先分析了大型橋梁健康監(jiān)測中設計的智能調理器的前端設計，主要就是 設計滿足技術指標要求的信號濾波、放大和a d 轉換，要做到這一點，先分析了常 用的傳感器，討論了各種傳感器的輸出參數(shù)以及在數(shù)據(jù)自動化采集是蘑滿足的技術 指標，真實地反映出各個傳感器的采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)電路結構不同，將各種傳感器數(shù) 據(jù)采集分為三大類，一種是應變電橋的采集，一種是電壓和4 2 0 m a 電流的采集， 另一種是數(shù)字溫度傳感器。這一部分智能調理器前端的設計占重要的地位，決定了 能否準確有效的采集到各種傳感器的數(shù)據(jù)。對于智能調理器的通信部分，需要根據(jù) 橋梁的要求，設計不同的總線方式，常用的是r s 4 8 5 總線，設計簡單，系統(tǒng)性價比 較高，另一種是以太網(wǎng)總線方式，布線更靈活方便，安全可靠，本文分兩個較大的 章節(jié)分別討論了這兩種方式，從基于這兩種總線的采集系統(tǒng)設計到智能調理器的硬 件軟件設計做了詳細論述。文章的最后還討論的大型橋梁健康監(jiān)測中可能用到的其 它數(shù)據(jù)自動化采集方案。 將自動化測控領域的知識和橋梁專業(yè)的知識結合起來，基于上述構想，本文主 要開展以下三個方面的工作： ( 1 ) 設計了符合大型橋梁健康監(jiān)測常用的傳感器數(shù)據(jù)采集的前端模塊： ( 2 ) 基于r s 4 8 5 總線的智能調理器的設計。 c 3 ) 基于工業(yè)以太網(wǎng)的智能調理器的設計。 ( 4 ) 其它產(chǎn)品的設計和未來產(chǎn)品設計 上面所述的這些內容在自動化領域基本上是一些成熟的設計和方案，但是結合 與橋梁工程的應用，要設計制作成在實際工程中使用的產(chǎn)品，還是有比較大的難度， 從采集系統(tǒng)的方案設計、智能調理器采集原理、芯片的選型性價比、抗干擾、通信 總線保護直到設計印制板圖，編寫程序和調試，需要對各種大小問題做全面的了解 和掌握，這一點也是和做理論研究的完全不同之處。 本文沒有非常詳細介紹文中提到的各個器件和協(xié)議，這些在網(wǎng)絡中都可以方便 的查到，更多的是對提到的系統(tǒng)和設計的產(chǎn)品做較為全面的介紹，挖掘出容易疏忽 的地方，這些是工作中的一些經(jīng)驗積累，以期和本文讀者共同探討這些內容。 第2 章大型橋梁健康監(jiān)測智能調理器的前端設計 智能調理器的前端設計在智能調理器中或者說在整個數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)中 占有重要地位，傳感器輸出的模擬電壓或電流經(jīng)過智能調理器的前端處理后，轉變 為數(shù)字信號，以串行或并行的方式傳送給微處理器，因為傳感器的眾多，輸出參數(shù) 也不盡相同，考慮到橋梁上安裝，調試的方便，盡可能的做到智能調理器的前端設 計能滿足多種傳感器的輸出，因此首先就是總結各種傳感器的輸出，以及希望采集 后的技術指標，并且還要考慮未來增加傳感器有可能的輸出方式。 2 1 大型橋梁健康監(jiān)測中常用的傳感器介紹 大型橋梁健康監(jiān)測是一個全面的數(shù)據(jù)采集分析的系統(tǒng)，因此，大型橋梁上般 會安裝多種類型的傳感器，比如測量橋梁應力的應變傳感器，索力傳感器，測量橋 梁的溫度、濕度、風速等。詳細的傳感器如下表2 一l ： 表2 1 大型橋梁健康監(jiān)測中常用的傳感器 傳感器生產(chǎn)公司采集方式及用途輸出參數(shù)供電 備注 惠斯登電橋，測量 索力傳感器德國h b m 應變片15 m v v無源 拉索受力 惠斯登電橋，結構 應變傳感器德國船m 應變片1 5 m v v無源 變形 液壓傳感器美國r o s e m o u 舸 粱的線形 4 2 0 i l a1 2 4 2 v d c 支座傳感器西南交大支座受力 4 2 0 m a2 4 v 國產(chǎn)溫濕度長英科技塔內溫濕度變化 4 2 0 m a2 4 v 5 5 1 5 v 傾斜傳感器美國d u r h a m塔的傾斜25 vd o d c 1 2 2 4 vd c 風速傳感器 美國r m y o u g 橋上的風力及方位 0 5 vd c l l o m a 8 2 4 v d c 溫濕度 美國r m y o u n g 梁內外溫濕度 0 1 vd c 地震工程局振動 5 vd c 振動傳感器 塔和粱的振動 無源 研究所般是微電壓 數(shù)字溫度傳+ 5 v 或者 感器 美國眥x i m各個監(jiān)測點溫度單總線數(shù)字 寄生電源 2 2 智能調理器模數(shù)轉換部分的設計 根據(jù)以上所有傳感器的輸出參數(shù)，將其分為三類，一類是m v 級的微弱電壓信 號，主要是惠斯登電橋的輸出；一類是電壓和電流信號，范圍在一5 v 一+ 5 vd c 之間， 因為a d 轉換的高阻抗輸入，4 2 0 m a 的電流信號通過串接2 5 0 歐姆的精密電阻變?yōu)?l 一5 vd c ；一類數(shù)字溫度傳感器，用來監(jiān)測各個傳感器的溫度。下面將分別分析這 三類輸出的a d 轉換方法。 2 2 1 惠斯登電橋微弱m v 信號 索力傳感器和應變傳感器其實質是在橋梁需要監(jiān)測的位置安裝穩(wěn)定性良好的 電阻式應變計，橋梁的結構變形造成電阻的變化，通過測量阻值的變化而得到橋梁 的受力狀況，這種電阻式傳感器在收到力的作用起響應時，其電阻百分比變化數(shù)值 很小，因此精確測量電阻式傳感器任務比較艱巨，惠斯登電橋提供了一種精確測量 微小電阻變化極富有吸引力的解決方案，惠斯登電橋由被連接成四邊形的四個電 阻，跨接在其中一個對角線上的激勵源( 電壓源或電流源) 和跨接在另一個對角線 上的電壓檢測器構成，檢測器測量跨接在激勵源上的兩個分壓器輸出之間的電壓 著。 圖2 1 惠斯登電橋比率測量方法 在圖2 1 中，當凡r 。= r 。r ：時，電橋的輸出為0 ，而與激勵方式( 電流或電壓、 交流或直流) 、激勵大小、讀出方式( 電流或電壓) 或指示器阻抗無關。在大型橋 梁采用電橋的傳感器應用中，電橋的一個或多個電阻與其初始值的偏離將作為被測 變量大小( 或變化) 的指示。在這種情況下，輸出電壓的變化便是電阻變化的指示， 由于電阻變化一般都很小，所以即使采用激勵源電壓等于1 0 v ，輸出電壓的變化也 可能小到數(shù)十毫伏。在應用中，采用了2 個或者4 個電阻橋臂的方式，在這種情況 下，我們假定采用恒壓激勵u ，因此，由于電橋輸出與v 。成正比，所以測量精度不 可能優(yōu)于激勵電壓的精度“。 電橋的靈敏度定義為輸出電壓的最大預期變化與激勵電壓之比。例如，若v e = 1 0 v ，而電橋滿度輸出為l o v ，則靈敏度為l m v v 。 維持電橋激勵電壓的精度和穩(wěn)定度特別重要，電橋輸出與激勵電壓成正比，激 勵電壓的任何漂移將使輸出電壓產(chǎn)生相應的漂移。電橋的輸出連接到a d 轉換器， a d 轉換器輸出數(shù)字碼d 。，即a ，。與v 。之比，輸出碼對電橋激勵和基準電壓之間的 相對變化很敏感，激勵電壓的任何變化都會導致由a d c 檢測的模擬輸入電壓的變化， 由于基準電壓、激勵等引起的變化不但不會被消除，而且將在測量中受到影響，所 以大多數(shù)應用都要求使用高度精確、精密且穩(wěn)定的基準源和激勵源，但是這種要求 很高，而且測量出的精度往往也不能令人滿意，分析電橋的激勵、輸出和a d 轉換 器的參考電壓以及a d 的轉換輸出的關系，我們采用了一種比率工作方式，同一基 準源既用于傳感器激勵，又用于a d c ，a d c 輸出碼d o u t 是轉換器的輸入a i n 與其基 準點v r e f 之比的數(shù)字表示，由于a d c 及其基準的輸入由同一激勵源導出，故激勵 的變化不會引入測量誤差，因此，在比率電路配置中，若由傳感器測量的變量未改 變，則a d c 的數(shù)字輸出碼不受電橋激勵變化的影響。 電橋輸出的信號很微弱，一般只有幾毫伏，對這樣的信號采樣首先需將信號放 大，測量系統(tǒng)中的放大電路要求精密、低溫漂、高共模抑制比c m r r 、一般采用精密 儀用放大器或斬波穩(wěn)零放大器，要達到比較高的測量精度，則需要高分辨率的a d c ， 在設計中要選用1 4 位或更高有效分辨率的a d c ，隨著高密度數(shù)字超大規(guī)模集成電路 工藝的不斷發(fā)展，很多公司推出了高性能內置信號調理電路的高分辨率串行 a d c 例女口a n a l o gd e v i c e s 的a d 7 7 3 0 ，t i b u r r b r o w n 的a d s l 2 l o ，c i r r u sl o g i c 的c s 5 5 5 0 等，這類a d c 由于內部包含了信號調理電路并且是串行接口，所以使電 路大大簡化，提高了系統(tǒng)整體性能同時也節(jié)省了空間，隨著成本進一步降低，在各 個需要精密測量的領域中都有廣泛的應用。 從性能成本等方面綜合考慮本系統(tǒng)選用了a d 7 7 3 0 它是a n a l o gd e v i c e s 推出的2 4 位串行a d c 主要有以下特點 峰一峰計數(shù)達2 3 0 ，o o o 失調漂移5 n v 增益漂移2 p p m 線路頻率共模抑制 1 5 0 d b 帶緩沖器的差分輸入 可編程濾波器 具有低失調和低溫漂的斬波c h o p p e r 工作方式 具有快速階躍f a s t s t e p 工作方式 兩通道可編程增益前端 片內有d a c 用于消除失調和去皮 可選擇直流或交流激勵 可提供內部校準和系統(tǒng)校準 由以上特點可知a d 7 7 3 0 是一款性能優(yōu)越的a d c ，非常適合于電阻應變計等精密 測量應用，a d 7 7 3 0 使用單電源工作，為了防止干擾，模擬部分和數(shù)字部分分別單獨 供電，電路中通過外接4 9 1 5 2 m h z 晶振為a d 7 7 3 0 提供主時鐘信號“。 本系統(tǒng)選用的電阻應變計傳感器靈敏度為2 o m v v ，在5 v 激勵電壓下滿刻度輸 出為1 0 m v ，所以將a d 7 7 3 0 的輸入電壓選為1 0 v ，a d c 的有效分辨率和采樣更新速率、 可編程增益放大器的增益等有關，由于輸入電壓范圍已經(jīng)確定，所以可編程增益放 大器的增益也就確定，這時選擇采樣更新速率則很重要，更新速率越低，有效分辨 率越高，在滿足其他要求的情況下盡量降低更新速率，由此來提高有效分辨率。 對于橋式測量電路，其輸出電壓的穩(wěn)定性與其工作電橋激勵電源的性能是密切 相關的，要求電橋激勵電源能夠對溫度時間等因素具有良好的穩(wěn)定性能，這就需要 設計專用的電橋激勵，以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和測量精度，a d 7 7 3 0 的基準電壓最 高允許為+ 5 v ，可以與模擬電源電壓和電橋激勵相同，這就非常方便將測量電路接 成比率測量方式，電橋激勵電壓的輸入同時也作為a d 7 7 3 0 的差分參考，激勵電壓的 變化不會影響測量結果，能夠保證測量精度，比率測量工作方式無需精確穩(wěn)定的基 準電壓源，即可實現(xiàn)精確的測量，降低了對電橋激勵電源的要求，簡化了電路同時 也有效的降低了硬件成本“。 更新速率達到1 2 k s p s 滿足動態(tài)分析數(shù)據(jù)的需要。 2 2 2 電壓和電流信號 為了能滿足輸入電壓范圍正負5 v ，必須選擇一款合適的a d 轉換芯片，其基本 要求是單通道輸入，數(shù)據(jù)轉換速率在2 0 0 h z 以上，并且還需要選擇一款精度符合要 求的基準電壓。 a d 7 7 1 2 是一種適合低頻測量的高精度a d 轉換器，片內含有兩個輸入通道，它能 把傳感器的小信號或大信號( 4 v r e f l 變成串行數(shù)據(jù)輸出。利用轉換技術， 實現(xiàn)高精度，無失碼的轉換?？删幊淘鲆娣糯笃? p g a ) 不僅能滿足模擬輸入信號寬動 態(tài)范圍的要求，而且還能使輸出電平達到電荷平衡a d 轉換器輸入設計的規(guī)范值。a d 轉換器的輸出饋入數(shù)字濾波器，從而消除轉換過程中的量化噪聲，并獲得標準的 二進制碼，供單片機、微處理器和d s p 處理“。 a d 7 7 1 2 和普通的a d 轉換器( 如逐次逼近和積分式轉換器) 不同，只要一加 電，a d 7 7 1 2 轉換器就開始對輸入信號進行采樣，而不需要啟動信號，這是因為 a d 7 7 1 2 轉換器基于連續(xù)采樣的原理。 a d 7 7 1 2 以2 0 k h z 或更大的速度對模擬輸入信號進行連續(xù)采樣，采樣速率由主時 鐘f c l k i n 決定( 速率為f c l k i n 5 1 2 ) 。采樣信號經(jīng)a d c 轉換成數(shù)字信號，該信號 經(jīng)數(shù)字濾波后，以一階陷波頻率確定的速率更新2 1 位數(shù)據(jù)輸出寄存器。寄存器中的 數(shù)據(jù)可從雙向串行口采用同步( 內或外時鐘) 或異步方式隨機讀取，或者從任意速 率到輸出寄存器更新速率周期地讀取。 a d 7 7 1 2 的串行輸出有三種串行輸出模式：同步內時鐘( s s c ) ；同步外時鐘 ( s e c ) ；異步通訊方式。 每一個數(shù)字周期的開始時刻，a d 7 7 1 2 均要查詢r f s 的狀態(tài)。如果r f s 為低電平， 那么s c lk 被激活，a d 7 7 1 2 從s d a t a 腳送出寄存器中的現(xiàn)行數(shù)據(jù)，先m s b 后l s b 。在 l s b 送出后，d r d y 信號變?yōu)楦唠娖剑藭r，d r d y 和s d a t a 均為- 三態(tài)輸出“。 2 2 3 數(shù)字溫度傳感器 本系統(tǒng)中采用了一種使用卜w r i e 結構器件( d s l 8 8 2 0 ) 溫度傳感器。d s l 8 8 2 0 是一個采用1 - w i r e 總線技術的數(shù)字溫度傳感變送器，它在不同的精度要求下可以 輸出不同精度的結果，它輸出精度的范圍是9 1 2 位。在本系統(tǒng)中所使用的9 位轉 換精度。d s l 8 8 2 0 的測量范圍是5 5 1 2 5 ，在一1 0 + 8 5 之間它的線性度非常好， 其測量溫度可以精確到0 5 。 d s l 8 8 2 0 有兩種供電方式：寄生供電方式和外接供電方式。在寄生供電方式下 只要一根數(shù)據(jù)線再加一根地線d s l 8 8 2 0 就可以正常工作。但是在寄生供電的方式下， 從機和主機的之間的距離不可以過長，如果距離長損耗也就大了，寄生方式供電的 能量又非常的小，過多的損耗將使得設備不能正常工作。另外，信號在導線中是以 橫波的方式進行傳播的，這樣在傳播的過程中就會產(chǎn)生很多諧波，容易使設備和主 機之間的數(shù)據(jù)通信受到干擾，因此，兩者之間的距離不可過長。當主機和從機之間 的距離過大或者一根總線上掛接的器件數(shù)目過多時，應當采用外接供電的方式。 和所有的卜w i r e 器件一樣，d s l 8 8 2 0 也具備一個全球唯一的6 4 位的i d 號，所以 在一根卜w i r e 總線上可以同時掛多個d s l 8 8 2 0 “。 2 3 總結 前端數(shù)據(jù)采集模塊在智能調理器的設計中占有重要地位，因為這一步工作直接 將傳感器的模擬信號轉換為數(shù)字信號送到微控制器處理，在設計過程中尤其要注意 幾個問題。 ( 1 ) 通信采樣速率能否滿足要求，采樣速率是總線通信和a d 轉換器的重要的技術 指標，選擇合適采樣速率的a d 芯片并且結合微控制器的選型一定要能保證數(shù)據(jù)通 信采樣的要求，對這兩個采樣速率的一個差值就是微控制器的數(shù)據(jù)處理能力，因此 往往選擇比總線通信采樣速率要高一些的a d 采樣速率的芯片。 ( 2 ) 抗干擾問題，在橋梁中使用智能調理器，應該注意模擬量輸入的抗干擾問題， 比如一些空間干擾等，這一點在智能調理器的原理圖設計和p c b 設計都需要注意， 必要的時候可以在模塊上安裝屏蔽等措施。 第3 章基于r s 4 8 5 總線的大型橋梁健康監(jiān)測 數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng) r s 4 8 5 總線目前在工業(yè)領域被廣泛使用，其布線簡單明了，增加接點方便可靠， 接口器件眾多，便于擴展，而且常搭配應用成熟的m o d b u s 協(xié)議，與各種控制系統(tǒng)外 圍接口通信完全兼容。在大型橋梁健康監(jiān)測r s 4 8 5 智能調理器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，與 智能調理器后端相連接的是r s 4 8 5 采集工業(yè)控制計算機，用來進行智能調理器和遠 程上位機的數(shù)據(jù)轉發(fā)工作，r s 4 8 5 采集工業(yè)控制計算機以光纖以太網(wǎng)的方式和上位 機進行通信，構成的智能調理器總線數(shù)據(jù)采集方案性能優(yōu)越，可以在幾十公里或者 更遠的遠程監(jiān)測站內穩(wěn)定監(jiān)測橋梁上各個傳感器布設點的數(shù)據(jù)。 3 1 r s 4 8 5 總線簡單介紹 r s 一4 8 5 標準是由兩個行業(yè)協(xié)會于1 9 8 3 年共同制訂合開發(fā)的，即e i a 一電子工 業(yè)協(xié)會和t i a 一通訊工業(yè)協(xié)會。e i a 開始時在它所有的標準前加上“r s ”前綴( 推 薦標準r e c o m m e n d e ds t a n d a r d 的縮寫) 。這個名稱一直延用至今，現(xiàn)在e i a t i a 已 正式用“e i a t i a ”取代“r s ”以明確其來源。修訂后命名為t i a e i a4 8 5 一a 。不過 我們還是習慣地稱之為r s 一4 8 5 。r s 一4 8 5 由r s 一4 2 2 發(fā)展而來。兩者是工業(yè)應用中最 成功的標準。而r s 一4 2 2 是一個差分標準，是為了彌補r s 一2 3 2 的不足提出來的， 改進了r s 一2 3 2 通訊距離短和速率低的缺點，r s4 2 2 定義了一種平衡通信接口，將 傳輸速率提高到了1 0 m b p s ，在速率低于1 0 0 0 k b p s 時傳輸距離延長到4 0 0 0 英尺，并 且允許在一條平衡線上連接最多1 0 個接收器，可以說r s 一4 2 2 是一種單機發(fā)送、多 機接收的單向傳輸規(guī)范。 r s 一4 8 5 是在r s 一4 2 2 的基礎上，為了擴展應用范圍和通訊能力，增加了多點、 雙向通信能力，也就是說，允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時，增加了發(fā) 送器的驅動能力和通訊沖突的保護特性，通過差分傳輸擴展總線的共模范圍。 r s 一4 8 5 滿足了所有的r s4 2 2 規(guī)范，但反之則不成立。 r s 一4 8 5 實質上是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅動器臺接收器的電特 性，而沒有規(guī)定插件、傳輸電纜與及通信協(xié)議。只是對應于七層模型中的物理層。 r s 一4 8 5 的接口規(guī)范特點： 平衡傳輸、差動工作模式多點通信 驅動器帶載最小輸入電壓：1 5 v驅動器帶載最大輸入電壓：5 v 最大輸出短路電流：2 5 0 m a驅動器輸出阻抗： 5 4q 接收器輸入門限：2 0 0 m v接收器最小輸入阻抗：1 2 k q 一7 v 至+ 1 2 v 總線共模范圍最大輸入電流1 0 m a 一o 8 1 i i a ( 1 2 v i n 一7 v i n ) 接收器輸出邏輯高： 2 0 0 v接收器輸出邏輯低： 日0 a d s t 1 9 2 1 6 8 l5 - ，一1 9 2 1 6 8 l3 州1 3 4 7 ：s 0 4 4 7 2 2 越2 e 5 p印a m 姚5 + 扦7 7 d 仁舶幔：0 舛；：1 5 ：0 。1 0 2l 豁l0 一。1 ? 1 6 8 、t5 i 扭掘珥1z js i j 7 7l 3i p | | u 0 p 鋤a n t 硼0 e 5 - 砰。7 7 - a d = 0 1 - 0 2 ：0 30 q - 0 5 - 0 6 1 9 2 1 6 8 一1 5 一 1 9 2 - i 6 8 ，1 35 。2 ； s 0 2i a 4 7 ：2 3 - s 1 6 3 5 l i p f l 印a 擅u 尬e s 盱7 7 ：船牽e2 o2 ，0 3 ：o 。0 5 + 0 6 i 0 i 。s1s f ra i i l e - t y p e f r a m e t y p e )根據(jù)以太網(wǎng)的幀類型判斷屬于什么幀 c a s ea r t p a c k e t ： 如果接收到是a r p 請求包 a r 吐r c v e ( i n b u f ) ：詳細分解a r p 包 b r e a k ： c a s ei p p a c k e t ： i p 包 i p _ r c v e ( i n b u f ) ： b r e a k ： d e f a u l t ： m e m s e t ( t e x t ，o ， 1 0 ) ： i t o a ( e t h 一 f r a m e t y p e ，t e x t ，l o ) ： s e r i a ls e n d ( t e x t ) ： jf( d e b u g )s e r i a l s e n d ( ”e r r o r ：u 兀k n o w np k tr c v d r ”) ： b r e a k ： 4 3 6u d p 協(xié)議軟件設計 u d p 防議是英文u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l 的縮寫，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，主要用來 支持那些需要在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡應用，包括網(wǎng)絡視頻會議系統(tǒng)在內的眾 多的客戶月日務器模式的網(wǎng)絡應用都需要使用u d p 協(xié)議。相比t c p 協(xié)議，u d p 協(xié)議屬于 一種不可靠的網(wǎng)絡協(xié)議。u d p 協(xié)議從問世至今已經(jīng)被使用了很多年，雖然其最初的 光彩己經(jīng)被一些類似協(xié)議所掩蓋，但是即使是在今天，u d p 仍然不失為一項非常實 用和可行的網(wǎng)絡傳輸層協(xié)議。 既然u d p 是一種不可靠的網(wǎng)絡協(xié)議，那么還有什么使用價值或必要呢? 其實不 然，在有些情