基于CAN总线的桥梁健康检测系统的研究

摘要：设计一款应用于桥梁健康检测的基于CAN总线2．OB协议的分布式数据采集与处理系统。系统设计了带有CAN总线通信接口的数据采集与处理底层模块以及具有实时监控与控制功能的上位机监控模块。底层模块的硬件设计以C8051F060高速型单片机为核心，内部集成A／D采集和D／A输出子模块以及CAN总线通讯模块。
关键词：CAN总线；数据采集；监控系统；总线通讯

0 引言
    随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度桥梁的相继建成，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注。同时，既有的许多桥梁逐渐进入了养护维修阶段，桥梁管理者对桥梁的养护也日益重视。
    传统的数据采集系统一般采用RS 485作为组网方式，而RS 485本身存在总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂节点少、应用不灵活等的局限性。本系统是基于CAN总线的分布式数据采集与通讯系统，解决了RS 485网络的固有问题。CAN总线属于总线式串行通信网络，采用独特的非破坏性总线仲裁技术，拥有强有力的错误处理能力和很高的传输可靠性，而且它的工作方式为多主方式，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主从，且无需站地址等节点信息。CAN节点在严重错误的情况下有自动关闭输出功能，使总线上其他节点的操作不受影响。因而CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

1 桥梁检测系统的构成及功能
    桥梁检测系统由数据采集、数据处理和数据传输三个部分构成(见图1)。整个系统由多个底层模块和一台接有CAN总线通信板卡的上位机组成，采用主从结构，通过接口卡来实现双向通讯，由此可以及时得知工业现场的各种数据和运行参数，从而保证了对现场远程测控的实时性。

    桥梁健康检测需要采集的信号主要有应变信号、加速度信号、位移信号和反力信号。数据采集系统主要通过底层模块采集由分布在桥上的传感器所感应的各种微变信号并对它们进行初级处理、打包等操作，然后通过CAN总线的数据传输系统传给上位机进行处理，从而使得上位机可以实时监控、存储数据和发送命令。

2 桥梁检测系统的硬件设计
    基于CAN总线的分布式信号调理模块主要由单片机CPU、输入／输出电路、电源电路和通信接口CAN总线接口几部分组成。系统的结构框图如图2所示。

    系统的硬件电路主要体现在底层模块上，采用双层电路板设计，上层电路主要为CPU模块，是底层模块电路板的核心，用以数据采集、处理和传输。下层电路是调理放大模块，主要是对采集的信号进行调理放大。上层电路有数据采集模块的核心部件——C8051F060单片机及其外围电路和上下层连接件。下层电路包括了信号调理电路、电源电路以及传输电路。系统电路框图如图3所示。

    滤波放大电路用于对传感器送来的微弱信号进行滤波放大以便于后面进行调理转换。调理转换电路把滤波放大后的信号进行转换变成单片机能够识别的信号，其中比较重要的有A／D转换和D／A转换。传输电路主要用来接收命令和传输数据。

3 桥梁检测系统的软件设计
3．1 下位机软件介绍
    下位机使用的是新华龙公司的C80F060单片机，它是完全集成的 昆合信号片上系统型MCU，集成了两个16位、1 MSPS的A／D转换器。且带有DMA控制器；集成有两个12位D／A转换器，具有可编程数据更新方式；集成有控制器局域网(CAN 2．0B)控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识掩码。下位机软件主要是采集、处理和传输数据。下位机数据处理是对采集的数据进行分类、计算、合并、选择、存储和传送。为了使得检测的数据更加的准确，精度更高，数据采集部分采集的数据必须经过平滑处理才能传输给上位机进行处理。下位机程序中的数据处理就是完成这部分功能的，其他处理包括数据的打包等操作。数据采集采用定时采集的方式。其下位机程序流程图如图4所示。

    下位机数据的传送是把采集的数据打包发给上位机，并接收上位机传给它的命令，每个模块在软件上都有自己的一个ID号便于数据传输和模块识别。下位机数据传输程序框图如图5所示。

3．2 上位机软件介绍
    上位机软件设计是基于Borland公司的Delphi来实现的。Delphi支持多线程工作，并且在数据库访问操作上有很大的优势，而且Delphi支持多层应用程序。
    上位机软件主要负责对网络模块数据进行收集、显示、处理和保存等工作，由本地服务器端和远程客户端组成。服务器端主要任务是接收CAN总线发送来的数据，并且将相应数据转换成电压值，显示转换值，将服务端的采集数据在客户端动态显示出来(以文本方式和图形方式显示)，直观清楚，可以对试验数据进行远程监控。其中，远程传输采用B／S架构，它能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式访问和操作共同的数据库；同时也能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。上位机软件流程图如图6所示。

4 结语
    基于CAN总线的桥梁健康检测系统采用分布式结构，现场将电流电压信号处理后通过CAN总线将数字量传输给上层，有效解决了桥梁检测中模拟信号长距离传输问题，彻底解决了模拟信号在传输过程中的失真问题。同时，利用Delphi编写的上位机监控软件能实时的多通道的监控各个底层模块的现场状况并对每个通道根据检测的数据及波形图进行调零、数据采集存储等操作，客户端通过互联网与服务器端同步的监控与控制，满足了现场测控系统的实时性及远程监控的同步性。本监控系统在试验桥上运行稳定可靠，能长期、连续、有效地监测数据，目前应用于实际桥梁检测项目中。