??? 摘? 要： 提出了一種基于CAN總線的數據采集系統的設計方案，介紹了數據采集系統的系統功能、硬件結構以及軟件設計方案。實際應用表明，該系統簡單、運行穩定、可靠性高。
??? 關鍵詞： CAN總線; 橋梁監測; 數據采集; 控制系統
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??? 在橋梁健康監測工作中，數據采集是整個監測系統中最重要的一個環節。為了避免造成重大的經濟損失，應該對橋梁結構進行實時監控和結構狀態的智能化評估，通過測定其關鍵性能指標，獲取反映結構狀況的信息，分析其健康運行情況，分析其是否受到損傷，以便將未知的危害降到最低。這對確保橋梁的運營安全，及早發現橋梁問題，延長橋梁的使用壽命起著積極的作用[1]。?
??? 本系統采用應力式傳感器，設計了橋梁的數據采集及其監控系統。包括數據采集模塊、控制模塊和通信模塊，通過CAN總線將采集到的數據傳送到工控機，并通過Internet將數據傳送到遠端的控制室的終端PC機上，在終端PC機上遠程監控橋梁的健康情況。?
1 系統總體結構?
??? 由于CAN總線為多主方式工作，最多可掛接110個節點，系統采用現場總線分布式數據采集控制方式。系統主要包括現場數據采集控制系統、現場控制室、遠端控制室3部分。其系統總體結構如圖1所示[2]。?
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??? 現場數據采集控制系統，可分為A/D轉換單元、MCU以及CAN控制器、光耦隔離、CAN驅動器等接口電路單元。其主要功能是采集分布于不同橋墩現場的拉力傳感器所采集的實時信息，并根據所得的信息發送控制命令，控制現場的設備，并實現故障報警等功能。?
??? 由于CAN總線的通信距離有限，并且遠端控制室和現場相隔較遠，所以需對數據進行預處理。現場控制室主要由CAN接口適配卡以及上位PC機組成，并且通過代理服務器將數據發送到遠端的控制室。?
??? 遠端的控制室主要由客戶端PC機通過Internet以及客戶端的操作軟件，對CAN節點傳送來的數據進行存儲、分析、打印等基本操作。?
2 電路設計?
??? 整個系統的電路設計，分為傳感器和單片機組成的現場數據采集控制部分、現場工控機和CAN接口適配卡以及代理服務器組成的現場控制室的傳輸部分、終端PC機和操作軟件組成的數據處理部分。其中關鍵是現場的數據采集控制部分，本文將對這一部分進行重點介紹。?
2.1 數據采集?
??? 基于CAN總線的分布式數據采集與控制系統的結構特點，能夠將系統功能盡可能地分散到各個節點，各節點以微處理器為核心，完成各種數據采集與監控功能。為了讓各個節點不同種類、不同格式的信息在基于CAN的協議標準下通信，每個節點都設有與CAN總線接口的電路。數據采集部分的電路如圖2所示。?
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??? 由圖2可知，此電路是以單片機STC89C52為核心處理芯片，整個硬件電路由5部分組成：?
??? (1) CAN總線接口電路：由SJA1000[3]及STC82C250組成，STC89C52對SJA1000的操作，類似于對外部RAM的操作，其P0口接SJA1000的AD0~AD7,ALE、/WR、/RD、P2.5端分別接SJA1000的ALE、/WR、/RD、/CS端，另外SJA1000的中斷信號/INT接STC89C52的/INT0端，使得STC89C52可收發各類信息。CAN總線收發器STC82C250提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，提供總線的差動發送和接收能力及抗干擾能力，使得信號能夠更遠更可靠地傳輸。其TXD、RXD端通過高速光耦分別接SJA1000的TX0、RX0，兩個輸出端CANH和CANL分別與物理總線的CAN_H和CAN_L連接[4]，在總線的末端加上120Ω匹配電阻，以減少信號反射干擾。?
??? (2) A/D轉換電路：由11路模/數轉換芯片TLC2543實現，STC89C52的P1.0~P1.3引腳分別與TLC2543的/CS、CLOCK、DATA IN 和DATA OUT 相連，通過這些連接，STC89C52可以控制A/D的轉換時間、選擇轉換通道和極性等。當A/D轉換結束后，TLC2543通過EOC引腳以中斷的形式通知STC89C52接收數據。其中TLC2543為CMOS 12位開關電容逐次逼近模/數轉換器，具有快速轉換和通用的控制能力。片內設有采樣-保持電路。?
??? (3) RS-232協議轉換電路：該電路主要完成現場的數據調試功能。其中STC89C52通過串口TXD、RXD與MAX232的相應管腳相連，當STC89C52需要將從現場采集到的數據或從CAN總線上接收到的數據轉換成RS-232協議格式的信息與現場設備或其他模塊進行通信時，可直接將信息通過串口TXD、RXD傳送給MAX232，由芯片MAX232完成數據格式的轉換。?
??? (4) 多路輸入輸出電路：該部分主要完成現場故障報警、結果顯示等功能。由于基于CAN總線的數據采集模塊可直接與多種模擬量或數字量設備相連，所以當模塊需要采集現場的I/O信息或需要根據處理結果進行顯示、報警、控制時，可通過由P1.4～P1.7和高速光耦隔離組成的多路輸入輸出電路實現。?
??? (5) 數據存儲器RAM擴展電路：為了滿足數據存取和處理的需要，電路還擴展了8 KB的RAM數據存儲器空間。?
2.2 數據傳輸?
??? 服務器擔負著與單片機通信、數據處理、數據存儲和與控制室通信等多項任務，是連接橋梁現場和遠端控制室的重要組成部分，它的優劣直接影響整個系統的性能。本系統最終目標是實現整個系統的無人值守和長期連續的工作，因此要求服務器性能穩定、工作可靠。本系統中選擇性能優越的工控機操作系統Windows Server 2003，數據庫系統軟件采用SQL Server 2005。另外，由于本系統為連續工作，而數據量很大，所以服務器外接可移動存儲設備以利于數據的更新與備份。?
??? 現場的代理服務器負責接收下位機采集到的橋梁狀態信息，在這里信息進行預處理，例如和預設的報警門限值進行比較，如果超過門限值則馬上發出報警，同時數據在這里存入數據庫。現場服務器與Internet網絡連接數據，經過打包實時地傳送給遠端的控制中心，在控制中心進行最終的分析和處理實時地顯示出狀態變化。?
2.3 數據處理?
??? 數據處理部分主要實現數據分析、處理等功能。由客戶端PC機和操作軟件界面通過Internet接收數據，并且進行數據分析、數據處理等。?
3 軟件設計?
??? 系統的軟件設計可以分為數據采集、數據傳輸和數據處理3部分。其中，數據傳輸部分包括單片機與服務器之間數據傳輸、服務器與控制室PC機之間的數據傳輸，數據處理包括客戶端PC機上的客戶操作、分析、處理軟件等。?
??? 根據分布式數據采集與控制系統的特點，系統各個節點之間和節點到操作站的距離較遠，現場環境干擾大。整個系統應有實時數據采集、實時控制、實時故障報警、現場情況顯示、數據存儲、歷史數據查詢、打印報表等功能。?
3.1 數據采集部分?
??? 數據采集部分的程序流程如圖3[5]所示。?
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??? 由圖3可知，STC89C52先對自身進行初始化，然后立即對SJA1000進行初始化以盡快建立該數據采集模塊與CAN總線之間的通信鏈接。其中對SJA1000的初始化是該軟件設計中一個比較關鍵的部分，主要包括在復位模式下設置通信的波特率、AMR、ACR、OCR、CDR，這些參數與將要發送的報文標識符有關。BTR0、BTR1寄存器的內容可以惟一確定系統的通信波特率和同步跳轉寬度，所以整個系統中的所有節點，這兩個寄存器的內容必須相同，否則無法通信。對ORC的操作可確定CAN控制器的輸出方式，并建立起CAN總線要求的電平邏輯所需輸出驅動器的配置。?
??? 與CAN總線的通信建立之后，STC89C52就開始采集現場數據，先是模擬量，然后是數字量。在對模擬量的數據采集中，為了減少外部干擾帶來的誤差還進行了消除誤差處理，主要包括判斷數據是否存在超大誤差，對連續多次采樣得到的數據求平均值作為采樣值等措施，以減少系統采樣誤差。再判斷采集的值是否超出設定的界限，需要報警否，是否顯示設備的狀態，是否準備往CAN總線發送數據等，如需要則進行不同數據的轉換。?
3.2 數據傳輸部分?
??? 服務器是整個系統的核心，它擔負著數據采集、數據管理和傳輸數據的任務，因此它的工作直接影響到整個系統的性能和工作。由于本系統要求服務器能夠在無人職守的情況下長期穩定地工作，因此最好選用性能優越的工控機，可以為采集系統提供更多的串行口。?
??? 客戶端的主要任務是接收數據和處理數據，實現數據傳輸的第一步是客戶端必須連上服務器，首先要設置服務器的IP地址和端口號，然后發送聯機請求。?
3.3 數據處理部分?
??? 數據處理部分是要在遠端控制室的PC機上，實現友好的人機操作界面，并實現實時控制、實時故障報警、現場情況顯示、數據存儲、歷史數據查詢、打印報表等功能，通過Visual C++ 6.0編程，進行對各種數據源進行操作訪問，遠程監控橋梁的健康情況。?
??? 橋梁的健康狀況監測對于橋梁的安全運行有著重要的意義。橋梁結構健康監測不只是傳統的橋梁檢測技術的簡單改進,而是運用現代傳感與通信技術,實時監測橋梁運營階段在各種環境條件下的結構響應與行為,獲取反映結構狀況和環境因素的各種信息,由此分析結構健康狀態、評估結構的可靠性,為橋梁的管理與維護決策提供科學依據。?
??? 本文在詳細分析了橋梁的結構特點的基礎上，設計了利用傳感器、CAN總線以及Internet網絡實現橋梁狀態遠程監測的方法，提高了對橋梁結構損壞和突發事件的反應速度，節約人力物力。它改變了傳統的以人工為主的檢測手段，大大提高了橋梁監測的實時性準確性及安全性。?
參考文獻?
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[4] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社,1996.?
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