一種新型采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及其在橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

史雪峰　朱世峰　代琛

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的不足，基于傳統(tǒng)RS 485工作模式提出并設(shè)計(jì)了一種新型采集節(jié)點(diǎn)工作模式，總線上的其中任意一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)均可作為控制主機(jī)使用，其余節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，以此使得采集系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。采集到的數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部存儲(chǔ)FLASH上，保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，提高了其可靠性。該類采集節(jié)點(diǎn)已在某城市立交橋長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用，結(jié)果表明：該采集節(jié)點(diǎn)具有采集精度高、可工作于主/從模式、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，為橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一種新的選擇。

關(guān)鍵詞： 橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)； 采集節(jié)點(diǎn)； 主/從工作模式； 操作方便

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP216+.1； U447 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）05?0023?04

Design of new acquisition node and its application in bridge health monitoring system

SHI Xue?feng1， 2， ZHU Shi?feng1， 2， DAI Chen3

（1. Bridge Science Research Institute， China Zhongtie Major Bridge Engineering Group， Wuhan 430034， China；

2. Hubei Province Key Laboratory of Bridge Structure Safety and Health， Wuhan 430034， China； 3. Hubei Hongshan Prison， Wuhan 430223， China）

Abstract： since it is inadequate for data acquisition nodes of the existing bridge structural health monitoring system， a new collection node operating mode is proposed and designed based on the traditional RS 485 mode. either one acquisition node on the bus can be used as a control host， the others are slave nodes， thus making the acquisition system more concise. The collec?ted data is stored to the internal storage Flash to ensure that data is not lost， which improves its reliability. Such acquisition node has been applied to long?term health monitoring of a city overpass. The results show that the acquisition node has the advantages of high acquisition accuracy， working in master/slave mode and easy operation. It provided a new choice for bridge and other structural health monitoring.

Keywords： bridge structural health monitoring； acquisition node； master/slave mode； easy operation

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有橋梁60余萬座，在氣候、環(huán)境等自然因素和日益增加的交通流量及超載車輛不斷增加的情況下，伴隨橋齡的增長(zhǎng)，橋梁的安全性和使用性能將發(fā)生退化，甚至導(dǎo)致橋梁垮塌等重大事故[1]。因此，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)的健康監(jiān)測(cè)，為保證交通順暢和生命財(cái)產(chǎn)安全提供了一種選擇。

但是，往往由于經(jīng)費(fèi)的限制，中小型橋梁無法同特大型、大型橋梁一樣安裝監(jiān)測(cè)內(nèi)容全面的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，而是更關(guān)注對(duì)其撓度、應(yīng)變和裂縫等關(guān)鍵參數(shù)的靜態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)。該類系統(tǒng)具有架構(gòu)簡(jiǎn)單、監(jiān)測(cè)參數(shù)少，費(fèi)用低、便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，且能滿足橋梁安全監(jiān)測(cè)的基本需求。于是，目前均選用技術(shù)成熟而且具有較高性價(jià)比的串口RS 485型采集節(jié)點(diǎn)，其一般是從市場(chǎng)上采購(gòu)?fù)ㄓ眯筒杉?jié)點(diǎn)得到。但目前市場(chǎng)上該類采集節(jié)點(diǎn)均需要增加額外的傳感器電源供電電路、傳感器信號(hào)線接口電路、無線模塊電路等，集成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，取樣電阻（電流信號(hào)采集）故障頻發(fā)，且在特定場(chǎng)合需要工控機(jī)作為控制主機(jī)發(fā)送采集指令。鑒于此，提出并設(shè)計(jì)了一種符合工程實(shí)際且經(jīng)濟(jì)可靠、操作方便的采集節(jié)點(diǎn)。

1 采集節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)

為滿足工程實(shí)際需求，所開發(fā)的新型采集節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：24 b分辨率；電流采樣精度<±0.1%，電壓采樣精度<±0.05%；每通道 24 Vdc/50 mA max對(duì)傳感器供電；總線上有且僅有一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可作為控制主機(jī)，向自身和其他采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集指令，作為工控機(jī)功能使用，即主機(jī)工作模式，同時(shí)亦可方便地切換到從機(jī)工作模式；FLASH存儲(chǔ)：設(shè)置是否對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行自身存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)不丟失；嵌入RF或GPRS無線傳輸模塊，便于實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)無線傳輸[3?4]；全部接口均采用航空接頭，接插方便可靠；機(jī)體外殼和接頭防護(hù)等級(jí)均為IP65，可直接在戶外使用。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)該新型采集節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)的需求，其硬件主要由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路、MCU電路、工作模式選擇電路、FLASH接口電路、串行通信接口電路、無線傳輸接口電路及其他如電源、復(fù)位等輔助電路組成，如圖1所示。

2.1 I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）只能接收電壓信號(hào)，而設(shè)計(jì)時(shí)一般均選用電流輸出型傳感器以適應(yīng)傳感器輸出信號(hào)的準(zhǔn)確遠(yuǎn)距離傳輸，需要將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADC能夠識(shí)別的電壓信號(hào)。此時(shí)，I/V電路設(shè)計(jì)是將取樣電阻并接在ADC輸入端，ADC接入取樣電阻兩端的電壓值，根據(jù)[I=UR]的關(guān)系換算出電流值。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，通用型節(jié)點(diǎn)在電壓接入面均采取較多的保護(hù)措施，而對(duì)取樣電阻基本無防護(hù)，故在浪涌或電磁干擾下，極易導(dǎo)致取樣電阻損壞，造成測(cè)試結(jié)果失真。

本設(shè)計(jì)采用自恢復(fù)保險(xiǎn)、ESD和瞬變抑制二極管等措施保證取樣電阻穩(wěn)定運(yùn)行。但取樣電阻須選用高精度、低溫漂電阻，I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

該新型采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用片內(nèi)具有可編程增益設(shè)置、數(shù)字濾波功能的高精度24位Σ?Δ A/D轉(zhuǎn)換器AD7712，實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換。24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7712適合低頻測(cè)量高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)的雙輸入通道易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換及輸出，同時(shí)采用的受環(huán)境噪聲影響較小的Σ?Δ技術(shù)，使其成為工業(yè)和過程控制中的理想選擇。

基于AD7712的高精度信號(hào)采集系統(tǒng)原理見圖3，其中STM32F107為控制器，系統(tǒng)采用電壓為2.5 V的基準(zhǔn)源。AD7712工作在10 MHz的外部時(shí)鐘模式，其[DRDY，]A0，[RFS]和[TFS]經(jīng)光耦隔離后與控制器的PA4，PA5，PA6和PA7引腳相連，其中[DRDY]每個(gè)下降沿代表一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成， 當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后變?yōu)楦唠娖絒5]。

2.3 工作模式選擇電路設(shè)計(jì)

該新型采集節(jié)點(diǎn)與既有RS 485采集設(shè)備的主要區(qū)別為：采集節(jié)點(diǎn)能夠工作于主/從模式。在主機(jī)工作模式下，采集節(jié)點(diǎn)能夠按照設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)采集對(duì)外輸出采集值，并且能夠向總線上其他采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集指令，作為控制主機(jī)使用，在該模式下有且只有一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可配置為主機(jī)工作模式，其他采集節(jié)點(diǎn)必須配置為從機(jī)工作模式。在從機(jī)工作模式下，采集節(jié)點(diǎn)在控制主機(jī)（如PC）的要求下進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，與RS 485采集設(shè)備使用方法相同。

上述設(shè)計(jì)在MCU電路中設(shè)置PE12為主/從工作模式標(biāo)志位，MCU在初始化時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的標(biāo)志位結(jié)果，決定采集節(jié)點(diǎn)工作于主機(jī)模式還是從機(jī)模式。

2.4 串行接口電路設(shè)計(jì)

該新型采集節(jié)點(diǎn)采用RS 485總線實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。采用的串行接口通信芯片為采用磁耦隔離技術(shù)的增強(qiáng)型RS 485收發(fā)器ADM2483，其最高傳輸速率為500 Kb/s。與其他RS 485接口芯片相比，集成了磁隔離技術(shù)，僅需一個(gè)外部的DC/DC電源進(jìn)行電源隔離即可實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定工作，串行接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)在上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，對(duì)I/O口、FLASH、UART和主/從模式標(biāo)志位進(jìn)行初始化。初始化完成后，根據(jù)檢測(cè)到的主/從模式標(biāo)識(shí)位結(jié)果進(jìn)入采集通道。當(dāng)標(biāo)識(shí)位結(jié)果為主機(jī)工作模式時(shí)，讀取節(jié)點(diǎn)采集參數(shù)，按照間隔時(shí)間、模塊數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；當(dāng)標(biāo)識(shí)位結(jié)果為從機(jī)模式時(shí)，等待上位機(jī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)有請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，將寄存器中的采集值發(fā)送到串行接口，工作流程如圖5所示。

主機(jī)工作模式主要有采樣周期、延時(shí)和從機(jī)模塊數(shù)量3個(gè)參數(shù)。采樣周期是完成兩次總線上全部采集節(jié)點(diǎn)采樣的時(shí)間差；延時(shí)是發(fā)送兩個(gè)采集指令的時(shí)間差；從機(jī)模塊數(shù)量是指總線上全部采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，包含工作于主機(jī)模式的節(jié)點(diǎn)本身，該節(jié)點(diǎn)地址必須為0x01。采集節(jié)點(diǎn)主機(jī)工作模式流程如圖6所示。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

利用0.02%精度的電壓電流校驗(yàn)儀對(duì)采集節(jié)點(diǎn)采集值的準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。電壓電流校驗(yàn)儀輸出值作為真值，節(jié)點(diǎn)采集值作為測(cè)試值，兩者對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，測(cè)試值與真值幾乎完全一致，精度非常高，完全可滿足橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需要。

4.2 工程案例

某大型城市立交橋在維修加固后安裝健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)橋墩傾斜和墩梁相對(duì)位移進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)4種變量：溫度（溫濕度）、橋墩傾斜、墩梁相對(duì)位移、箱梁豎向撓度，分別采用溫度傳感器、精密傾角儀、拉繩位移計(jì)和撓度傳感器對(duì)各參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器均輸出4～20 mA電流型號(hào)，電源需求為24 Vdc。

健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集設(shè)備選用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采集節(jié)點(diǎn)， 5個(gè)節(jié)點(diǎn)共40通道。其中，地址為0x01的采集節(jié)點(diǎn)配置為主機(jī)工作模式，內(nèi)部配置GPRS無線傳輸模塊，其他4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)配置為從機(jī)工作模式，地址為0x02～0x05。0x01采集節(jié)點(diǎn)按采樣周期為600 s，延時(shí)50 ms，模塊數(shù)量為5，依次向各采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，節(jié)點(diǎn)將采集值發(fā)送到總線時(shí)通過GPRS無線模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解算、分析處理、存儲(chǔ)和顯示等操作。A1匝道10#墩梁相對(duì)位移采集數(shù)據(jù)如圖8所示。

對(duì)圖8數(shù)據(jù)分析可知，4個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖中直線部分因現(xiàn)場(chǎng)斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失）顯示墩梁相對(duì)位移值均處于閾值范圍內(nèi)，表明箱梁和橋墩運(yùn)行正常。

5 結(jié) 語

針對(duì)現(xiàn)有中小型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了一種新型數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。該采集節(jié)點(diǎn)解決了傳統(tǒng)既有采集節(jié)點(diǎn)操作不便、故障率高的不足，且具有采樣精度高、能夠工作于主/從模式、保證數(shù)據(jù)不丟失、操作方便等特點(diǎn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用均表明，該新型采集節(jié)點(diǎn)能夠滿足健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的需要，為中小型橋梁等結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善與發(fā)展提供了一種技術(shù)選擇。

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