基于ARM和CAN總線的土木工程施工信息無線測控系統*

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,隨著經濟的快速發展,我國的城鄉建設規模越來越大,土木工程建設發展極為迅猛。然而在大興土木的同時,工程的質量問題成為人們關注的焦點。一般大型建筑都有較厚的鋼筋混凝土結構,工程的材料及施工技術決定了混凝土結構的質量及承載能力,如有不當混凝土結構很容易產生形變,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構的承載應變進行測量與分析,以便及時發現問題并采取有效措施解決問題。目前,由于計算機技術的發展,土木工程施工信息測試系統的智能化得到了很大的提高,國外一些高精度、高穩定性的測試設備不斷涌現。而國內由于在此領域起步較晚,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權的基于ARM和CAN總線的土木工程施工信息無線測控系統,采用了16位A/D,并著重設計了電源電路,實現了高精度16位A/D采集;通過CAN總線實現了多卡通訊,使數據采集系統的板卡能夠輕松更換,提高了系統的可擴展性;上位機與數據采集系統采用了無線數據傳輸的方式進行通訊,使得系統從有線通訊的束縛中解放出來,系統現場安裝更加方便靈活,具有極高的可靠性和穩定性。

2 系統總體結構

整個施工信息無線測控系統由傳感器、數據采集系統(下位機)及上位機組成,總體框架結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

系統采用數據采集系統加上位機監控的方式,將信號調理及數據采集與數據的統計分析相分離,便于系統的搭建及維護。由于測試系統有時需要長時間的測試運行,此測控系統特別設計了數據備份功能,有利于數據的在線與離線分析。

系統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理電路都有所不同,而其他的如A/D轉換,微處理器、通信總線、以及微處理器內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據分類、匯總、打包,一邊通過無線方式將數據傳送給上位機,一邊將數據備份在自帶的Flash當中,上位機對測控系統傳來的數據進行顯示、分析。

3 下位機軟硬件設計

3.1 數據采集單元

數據采集單元主要負責采集傳感器信號并將數據發送給主控卡,怎樣保證數據的穩定性與準確性以及數據的高速采集與處理是本設計的重點。數據采集單元由電源系統、信號調理電路、A/D轉換電路、核心微控制器等主要部分組成。

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

信號調理電路根據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要求[2]。

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

核心微控制器采用Cygnal公司生產的C8051F040單片機,實現數據采集控制、數據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型微控制器。片內含CIP-51的CPU內核,它的指令系統與MCS-51完全兼容,具有高速、流水線指令結構,速度可達25MIPS,完全滿足實時數據處理需求。內部有4352字節的數據RAM,64KB FLASH,外部64KB數據存儲器接口[4],滿足本采集卡大批量數據存儲的要求;內含局域網(CAN2.0B)控制器,這樣就可利用CAN總線實現板卡間的通訊。C8051F040單片機的編程非常簡便,可以方便地實現對數據采集單元的控制。

3.2 主控制卡單元

整個測控系統的核心控制部分,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據,并對數據進行匯總分類,通過無線或有線的方式將數據傳給上位機進行處理,并對數據進行備份。主控卡要對數據要進行高速處理,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]。本系統采用了飛利浦公司生產的LPC2292芯片,此芯片擁有60MHz的主頻和兩個自帶的CAN接口,滿足系統對數據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,簡單方便,非常適用于低功耗的嵌入式領域。

主卡要將采集來的數據發送給上位機,但是由于施工現場的工況很復雜,因此本系統在主卡上做了數據備份,以便在上位機采到的數據存在問題時,可以直接讀取主控卡上備份的數據,減少意外情況下帶來的損失。本系統使用三星公司的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,開始執行用戶的應用程序。應用程序所要實現的功能為:

1)控制各個從卡采集數據;

2)接收各個從卡發來的數據,并對數據進行分組打包;

3)自動識別板卡的類型及數量;

4)對數據進行Flash備份;

5)與上位機采用modbus協議通訊;

6)按照上位機的要求將數據發送給上位機;

7)采用在線和離線兩種靈活的工作模式。

主控制卡的主函數的流程圖如圖3所示,當上位機發送指令給主控制卡時,主控制卡對mode參數進行判斷。當mode為 T時,對數據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,對數據進行實時采集監控;當mode為N時,進行的是離線工作模式,對數據進行離線采集存儲;當mode為S時,停止數據采集;當 mode為 L時,上位機讀取主控制卡上Flash存儲的數據。

圖3 主控制卡主函數流程圖

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。本系統采用飛利浦公司生產的SJA1000 CAN控制器以及配套的PAC82C250CAN收發器搭建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 數據采集系統CAN總線接口電路

由于施工現場比較復雜,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收發器的TXD與RXD相連接,而是在中間加光耦6N137過渡,從而實現CAN總線上的節點電器隔離[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的抗干擾性。

在CAN收發器與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,并接了兩個瞬態電壓抑制二極管,在較強的干擾電壓下,二極管會發生短路,從而保護內部元器件不被損壞。

CAN收發器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節通訊速率,達到通訊速率的最優化。

主控卡與各從卡通過CAN總線進行通訊,通訊采用擴展數據幀格式,總長度為128位,在擴展數據幀中給每個板卡定義了一個唯一的IP地址,實現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,對數據進行歸類,然后將數據發給上位機。

3.4 下位機與上位機的通訊

上位機與數據采集系統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使用需要自行設定相關工作參數,不需要做任何后期技術開發即可完成產品的無線應用。一般情況下上位機使用無線通訊獲取數據,當無線通訊獲取數據出現問題時,上位機通過串口獲取保存在下位機flash中的數據,保證了傳輸的數據不會因為意外情況而丟失,提高了系統的穩定性。

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據采集和結果顯示兩大部分。采集部分完成系統參數設置、板卡檢測、傳感器自平衡、配置串口、采集數據并存儲、實時監控系統狀態等功能;結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,并加入了數據庫功能以便查詢試驗數據,滿足設計要求。

5 試驗結果

系統測試過程中,在外部條件惡劣的施工現場,本系統能夠穩定準確地采集應力、位移等信號,并能通過無線模塊傳輸到上位機,通過上位機軟件實時顯示試驗曲線并分析試驗結果。圖5為一次試驗中采集到的位移傳感器的數據曲線。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,樁基緩慢的發生了形變。在50s左右的時候,負載達到最大,在55s時測得形變為3.10mm,之后形變基本保持穩定。由圖可見,加載緩慢,曲線比較平緩,毛刺微乎其微,說明采集系統的精度比較高。

圖5 數據曲線

6 結語

本系統采用上位機控制軟件和下位機數據采集系統相分離的模式,使數據采集不受上位機系統的影響,保證了系統的穩定性。數據采集系統采用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,實現了數據的高速精確采集。在施工現場使用時,該無線測控系統使用方便,性能穩定,滿足用戶需求。

[1]胡伍生,潘慶林.土木工程測量[M].南京:東南大學出版社,2007,1

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