CN101355575A - 基于can网络的土木工程受力监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CAN网络的土木工程受力监测系统及方法，属于土木工程监测技术领域。所述装置包括主控计算机、PC_CAN接口模块、采集单元和CAN总线的拓扑网络；采集单元包括：微处理器，CAN模块、CAN标识设置模块、日期时间设置模块、存储器扩展模块、集线箱、激振及拾振电路、模拟通道切换开关和电源管理模块。主控计算机和CAN网络上采集单元通过PC_CAN接口模块交换指令和数据。采集单元接收主控计算机的指令，完成多路振弦传感器数据的采集，并将数据按照标准格式打包，上传至CAN网络。系统可远程、灵活、可靠地采集子节点处的物理量，广泛应用于各种土木工程的应力监测中。

Description

基于CAN网络的土木工程受力监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程监测技术领域的监测系统及方法，具体是一种基于CAN网络的土木工程受力监测系统及方法。

背景技术

激励式振弦传感器以结构简单、长期稳定、可靠、成本低等诸多优点被大量应用于建筑、水利工程、铁道交通、冶金、煤炭等部门，对水坝、隧道、矿井等土木工程施工现场，完成对压力、拉力等受力情况的监测。在结构内布置大量的传感器，经常是少则几十只，多则数百只，随着我国经济建设的飞速发展，振弦传感器的应用越来越广泛。测读振弦传感器的频率值是目前普遍采用的方法，工程监测人员使用频率计读取振弦传感器的输出频率，根据标定数据(标定表、曲线或斜率K值)，进行从频率量到物理量的转换。由于在工程监测中使用振弦传感器的数量很多，每次测量时都需要逐次逐只进行从频率量到物理量的转换，特别是对土木工程进行系统、长期监测的情况下，尤其像堤坝、隧道、地铁，这使得监测工作繁重，极不方便。土木工程受力监测系统和方法传统上以工程监测人员在土木工程施工现场逐次逐只测量为主。

经对现有技术的文献检索发现，中国实用新型专利“可直读物理量的振弦传感器”，申请号200420030166.X，该专利公开了一个具有RS485接口的可直读物理量的振弦传感器，在振弦传感器中增设了以CPU为核心的电子处理部分，由存储器单元存储标定数据，并进行内部数据转化，以MAX3471为RS485总线的驱动器实现RS485通信。以该振弦传感器组成的基于RS485网络的土木工程受力监测系统，存在以下不足：[1]相对于普通振弦传感器，由于增设了内部电路，成本大大提高，传感器在埋设后(浇筑混凝土)已不能重复利用，因此增加了成本；[2]RS485网络的理论传输距离为1200米，因此监测网络难以满足堤坝、隧道、地铁等的监测；[3]RS485是一种半双工的电器协议，在任意时刻，网络只能允许其上的一个节点向总线发送数据，如果总线上的某些节点发生故障，或者系统上位机的调度出现失误，会导致整个监测网络的瘫痪；[4]RS485只是一种电气协议，未提供可靠高效的通信协议的实现，这就增加了系统开发的难度和开发周期，降低了系统的灵活性；[5]RS485总线的通讯速率与通讯距离有直接关系，随着传输距离的增加而降低，常用波特率为9.6KBPS，当达到数百米以上通讯距离时，其可靠通讯速率小于1.2KBPS，因此监测网络的数据吞吐量较低。

由于基于RS485网络的土木工程受力监测系统，存在着以上等诸多缺点，难以满足系统对实时性、可靠性、传输距离、灵活性、数据交换量等的要求。所以，在土木工程施工现场仍然以逐次逐只测量为主。

发明内容

本发明的目的在于针对目前监测系统中存在的上述问题，提供一种基于CAN网络的土木工程受力监测系统及方法，具有数据吞吐量大、可靠性高、传输距离远、通信灵活的特性，并解决上述背景技术中的不足，以满足土木工程受力监测的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的基于CAN网络的土木工程受力监测系统，包括：主控计算机、PC_CAN接口模块、CAN总线的拓扑网络、带有CAN通信模块的多路振弦传感器采集单元，其中：

所述的PC_CAN接口模块连接主控计算机和CAN总线的拓扑网络，主控计算机发送指令，PC_CAN接口模块将指令打包成有效CAN数据包并发送到CAN总线的拓扑网络，PC_CAN接口模块捕获CAN总线的拓扑网络上的有效数据包，提取有效数据并发送到主控计算机；

所述的CAN总线的拓扑网络连接PC_CAN接口模块和分布的各个采集单元，采集单元接收主控计算机的指令，完成多路振弦传感器数据的采集，并将数据按照标准格式打包，上传至CAN网络。

所述带有CAN通信模块的多路振弦传感器采集单元，包括：微处理器，CAN模块、CAN标识设置模块、日期时间设置模块、存储器扩展模块、集线箱、激振及拾振电路、模拟通道切换开关和电源管理模块，其中：

所述的采集单元的CAN模块连接CAN总线的拓扑网络和采集单元的微处理器，微处理器通过CAN模块接收来自网络上的数据包，并将相关的数据包发送到CAN总线的拓扑网络上；

所述的采集单元的CAN标识设置模块直接与采集单元的微处理器连接，提供该采集单元的身份标识；

所述的微处理器可以是DSP(数字信号处理器)、ARM、单片机、FPGA等微控制芯片；

所述的采集单元的日期时间设置模块直接与采集单元的微处理器连接，可以自动计时，并能提供包括年、月、日、小时、分钟、秒、星期等时间信息，用于给实时采集的数据提供时间标识；

所述的采集单元的存储器扩展模块，为掉电数据不丢失的数据存储芯片，与微处理通过I2C总线连接，用于存储采集单元的采集周期等可配置的参数，以及在与主控计算机中断联系的情况下，存储采集到的数据。

所述的采集单元的集线箱，为一组数量不等的振弦传感器和模拟通道切换开关提供物理连接；

所述的采集单元的模拟通道切换开关，和微处理器、激振拾振电路、集线箱相连，微处理器发出指令控制模拟通道切换开关，使选定的振弦传感器和激振拾振电路建立起电气连接；

所述的采集单元的激振及拾振电路，微处理器控制激振电路为振弦传感器提供连续的激励信号并通过拾振电路获取振弦传感器的反馈数据，直接与采集单元的微处理器连接；

所述的采集单元的电源管理模块，与采集单元的其它各模块均有连接，为其它各模块提供所需要的工作电压。

本发明所涉及的基于CAN网络的土木工程受力监测方法，包括如下步骤：

第一步，振弦传感器按设计要求埋设、浇筑后，以40米范围内的传感器为一组，每一组内可根据需要埋设16个或者32个，并将信号线接入采集单元的集线箱；

第二步，采集单元接入CAN总线的拓扑网络，并设置该单元的CAN标识；

第三步，在主控计算机中，输入采集节点的标识、集线箱中振弦传感器的个数及其标定数据、采集数据的时间间隔等参数，形成指令；

第四步，主控计算机将指令发送到PC_CAN接口模块，PC_CAN接口模块将指令封装成符合CAN标准的数据包，并将该数据包发送到CAN总线的拓扑网络

第五步，采集单元的微处理器通过CAN模块接收到数据包，提取相关参数；

第六步，微处理器根据参数初始化日期时间设置模块，并将参数存储到存储器扩展模块；

第七步，日期时间设置模块设定的时间间隔到了，触发中断，微处理器发出指令控制模拟通道切换开关，使选定的振弦传感器和激振拾振电路建立起电气连接；

第八步，微处理器控制激振电路，向振弦传感器发出激振信号；微处理器通过拾振电路获取振弦传感器的反馈数据；

第九步，微处理器读取当前的日期时间，将该单元的CAN标识、振弦传感器的序号、采集日期时间和反馈数据封装成符合CAN标准的数据包，存储到存储器扩展模块，并将该数据包发送到CAN总线的拓扑网络；

第十步，PC_CAN接口模块接收到网络上的数据包，提取相关数据并发送到主控计算机；

第十一步，主控计算机分析接收的数据并以文件的形式保存下来；

重复第七步至第十一步，实现振弦传感器组的长期自动远程监测。在主控计算机关闭时，采集单元重复第七步至第九步。开机时，主控计算机可发送指令，要求采集单元发送存储的数据包。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明通过CAN网络，在土木工程受力监测中实现采集单元和主控计算机之间的通信，采用普通振弦传感器，真正实现了土木工程受力的远程网络智能监测，其抗干扰能力，稳定性都有了很大的提高，可以很好的适应电磁环境恶劣的现场；通信距离在5KBPS时可以达到10KM，可以很好的适应像堤坝、道路、地铁这样的土木工程；采集节点可根据需要随时接入或退出监测网络，与采集节点接入或退出时整个网络(包括主控计算机和所有采集节点)都要关闭的做法相比，监测的灵活性得到大大改善；某个采集节点发生故障时，CAN能够及时发现并关闭该节点，使得整个网络的故障率得到有效的控制。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理示意图。

图2是本发明的CAN_USB接口模块示意图。

图3是本发明的采集单元结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示的实施例，整个监测网络由一个主控计算机1和若干个采集单元4、PC_CAN接口模块2、CAN总线的拓扑网络3组成。

所述的PC_CAN接口模块2连接主控计算机1和CAN总线的拓扑网络3；PC_CAN接口模块2将主控计算机1发送的指令打包成有效CAN数据包并发送到CAN总线的拓扑网络3；采集单元4发送相关数据包到CAN总线的拓扑网络3上，PC_CAN接口模块2捕获该数据包，提取有效数据并发送到主控计算机1；所述的CAN总线的拓扑网络3连接PC_CAN接口模块2和分布的各个采集单元4。

CAN网络采用差动电压传输信号，传输电缆为带有屏蔽层的双绞线，分别作为CAN的高电压CAN_H和低电压线CAN_L线，在双绞线的两端接入终端匹配电阻，这样，包括主控节点(主控计算机1、PC_CAN接口模块2)和采集节点4，构成了一个完成的CAN总线的拓扑网络3。在CAN总线的拓扑网络中，网络中的每一个节点，都有一个标识，作为该节点在网络中的唯一身份。本实施例，标识是这样的分配的：PC_CAN接口模块2的标识为0，采集单元按接入网络的顺序依次为1，2，3……。在CAN总线的拓扑网络中，节点可根据需要随时接入或脱离网络，操作时整个网络不必关闭。

所述的PC_CAN接口模块2，可以是RS232_CAN接口模块、PCI_CAN接口模块、ISA_CAN接口模块或是USB_CAN接口模块，在本实施例中，采用USB_CAN接口模块，如图2所示，包括：微处理器21、USB控制器22、CAN控制器23、光电隔离25、CAN收发器26和DC-DC电源隔离模块B0505-W2524。

本实施例中，微处理器采用ATMEL公司的微处理器AT89S52，USB控制器采用南京沁恒公司的USB控制器CH372，CAN控制器采用Philips公司的CAN控制器SJA1000，光电隔离采用FAIRCHILD公司的光电隔离6N137，CAN收发器采用Philips公司的CAN收发器PCA82C251，DC-DC电源隔离模块采用广州金升阳科技有限公司的DC-DC电源隔离模块B0505-W2524。

USB控制器22连接主控计算机的USB端口和微处理器21，微处理器21连接CAN控制器23，光电隔离25连接CAN收发器26和CAN控制器23将CAN网络与PC_CAN接口模块电气隔离，降低了PC_CAN接口模块受到的干扰，提高了节点的可靠性，CAN收发器26实现到CAN网络的物理连接。USB_CAN接口模块的各个部分由主控计算机的USB端口提供电源，DC-DC电源隔离模块24为光电隔离25和CAN收发器26提供经过隔离后的电源。

如图3所示，采集单元包括：采集单元微处理器31，CAN模块32、CAN标识设置模块33、日期时间设置模块34、存储器扩展模块36、集线箱39、激振及拾振电路37、模拟通道切换开关38和电源管理模块35。

所述的采集单元的CAN模块32将采集单元物理连接到CAN总线的拓扑网络上，并和微处理器31连接，采集单元微处理器通过CAN模块接收来自网络上的数据包，并将相关的数据包发送到CAN总线的拓扑网络上。

所述的采集单元的CAN标识设置模块33直接与采集单元微处理器连接，提供该采集单元的身份标识，在实施例中，采用设置拨码开关的形式。

所述的采集单元的日期时间设置模块34直接与采集单元微处理器连接，可以自动计时，并能提供包括年、月、日、小时、分钟、秒、星期等时间信息，用于给实时采集的数据提供时间标识。采集单元微处理器31可设置该模块的定时间隔，在定时结束时，该模块以中断的形式通知采集单元微处理器31。该模块内部配有锂离子电池，在电源管理35停止供电的情况下，对日期时间等内容没有任何影响。

所述的采集单元的存储器扩展模块36，为掉电数据不丢失的数据存储芯片，与采集单元微处理器31通过I2C总线连接，用于存储等采集单元的采集周期、发送周期等可配置的参数，以及在与主控计算机中断联系的情况下，存储采集到的数据。

所述的采集单元的集线箱39，为一组数量不等的振弦传感器和模拟通道切换开关38提供物理连接，可挂接16/32个振弦传感器；

所述的采集单元的模拟通道切换开关38，和微处理器31、激振拾振电路37、集线箱39相连，采集单元微处理器31发出指令控制模拟通道切换开关38，使选定的振弦传感器和激振拾振电路38建立起电气连接。

所述的采集单元的激振及拾振电路37，采集单元微处理器31控制激振电路为振弦传感器提供连续的激励信号并通过拾振电路获取振弦传感器的反馈数据，直接与采集单元的微处理器31连接。

所述的采集单元的电源管理模块35，与采集单元的其它各模块均有连接，为其它各模块提供所需要的工作电压。

下面以上述基于CAN网络的土木工程受力监测系统中的第N个采集单元的第M个振弦传感器的远程数据采集过程为实施例，进一步说明本发明所述的基于CAN网络的土木工程受力监测方法：

第一步，根据设计要求，在某范围组成第N个采集单元，在某点埋设第M个振弦传感器，并将数据线接入集线箱，集线箱与模拟通道切换开关对应连接；

第二步，设置CAN标识设置模块，设置拨码开关，对应的二进制数值为N，连接CAN端子，将采集单元接入CAN总线的拓扑网络；

第三步，在主控计算机中，输入采集节点的标识N、第M个振弦传感器的标定数据、采集数据的时间间隔等参数，并形成指令；

第四步，主控计算机将指令发送到USB总线上，USB_CAN接口模块接收指令，提取出相关数据，将其封装成符合CAN标准的数据包，通过CAN控制器SJA1000、光电隔离6N137和CAN收发器PCA82C251把数据包发送到CAN总线的拓扑网络

第五步，采集单元N的微处理器通过CAN模块接收到数据包，提取出M、采集数据的时间间隔等参数；

第六步，采集单元N的微处理器根据参数初始化日期时间设置模块，并将参数存储到存储器扩展模块；

第七步，日期时间设置模块设定的时间间隔到了，触发中断，采集单元微处理器发出指令控制模拟通道切换开关，使第M个振弦传感器和激振拾振电路建立起电气连接

第八步，采集单元微处理器控制激振电路，向第M个振弦传感器发出激振信号；采集单元微处理器通过拾振电路获取第M个振弦传感器的反馈数据；

第九步，采集单元微处理器读取当前的日期时间，将该单元的CAN标识N、振弦传感器的序号M、采集日期时间和反馈数据封装成符合CAN标准的数据包，存储到存储器扩展模块，并将该数据包发送到CAN总线的拓扑网络；

第十步，USB_CAN接口模块接收到网络上的数据包，提取相关数据并发送到主控计算机的USB总线上；

第十一步，主控计算机分析接收的数据并以文件的形式保存下来；

在采集单元出现故障时，采集单元上的CAN模块自动关闭，使得该单元在电气上脱离了CAN网络，不会对CAN网络造成任何影响，主控计算机收不到该单元的回执，发出故障警示。在主控计算机关闭时，采集单元重复第七步至第九步。开机时，主控计算机发送指令，要求采集单元发送存储的数据包。

Claims (7)

1、一种基于CAN网络的土木工程受力监测系统，其特征在于：包括主控计算机、PC_CAN接口模块、CAN总线的拓扑网络、带有CAN通信模块的多路振弦传感器采集单元，其中：

所述的PC_CAN接口模块连接主控计算机和CAN总线的拓扑网络，主控计算机发送指令，PC_CAN接口模块将指令打包成有效CAN数据包并发送到CAN总线的拓扑网络，PC_CAN接口模块捕获CAN总线的拓扑网络上的有效数据包，提取有效数据并发送到主控计算机；

所述的CAN总线的拓扑网络连接PC_CAN接口模块和分布的各个带有CAN通信模块的多路振弦传感器采集单元，采集单元接收主控计算机的指令，完成多路振弦传感器数据的采集，并将数据按照标准格式打包，上传至CAN网络。

2、如权利要求1所述的基于CAN网络的土木工程受力监测系统，其特征是，所述带有CAN通信模块的多路振弦传感器采集单元，包括：采集单元微处理器、CAN模块、CAN标识设置模块、日期时间设置模块、存储器扩展模块、集线箱、激振及拾振电路、模拟通道切换开关和电源管理模块，其中：

所述的CAN模块连接CAN总线的拓扑网络和采集单元微处理器，采集单元微处理器通过CAN模块接收来自网络上的数据包，并将数据包发送到CAN总线的拓扑网络上；

所述的CAN标识设置模块直接与采集单元微处理器连接，提供该采集单元的身份标识；

所述的日期时间设置模块直接与采集单元微处理器连接，用于给实时采集的数据提供时间标识；

所述的存储器扩展模块，为掉电数据不丢失的数据存储芯片，与采集单元微处理器通过12C总线连接，用于存储采集单元可配置的参数，以及在与主控计算机中断联系的情况下，存储采集到的数据；

所述的集线箱为振弦传感器和模拟通道切换开关提供物理连接；

所述的模拟通道切换开关和采集单元微处理器、激振拾振电路、集线箱相连，采集单元微处理器发出指令控制模拟通道切换开关，使选定的振弦传感器和激振拾振电路建立起电气连接；

所述的激振及拾振电路，采集单元微处理器控制激振电路为振弦传感器提供连续的激励信号并通过拾振电路获取振弦传感器的反馈数据，直接与采集单元的采集单元微处理器连接；

所述的电源管理模块，与采集单元的其它各模块均有连接，为其它各模块提供所需要的工作电压。

3、如权利要求1所述的基于CAN网络的土木工程受力监测系统，其特征是，所述的PC_CAN接口模块是RS232_CAN接口模块、PCI_CAN接口模块、ISA_CAN接口模块或是USB_CAN接口模块。

4、如权利要求3所述的基于CAN网络的土木工程受力监测系统，其特征是，所述PC_CAN接口模块为USB_CAN接口模块，USB_CAN接口模块包括：微处理器、USB控制器CAN控制器、光电隔离、CAN收发器和DC-DC电源隔离模块，USB控制器连接主控计算机的USB端口和微处理器，微处理器连接CAN控制器，光电隔离连接CAN收发器和CAN控制器，将CAN网络与PC_CAN接口模块电气隔离，降低PC_CAN接口模块受到的干扰，CAN收发器实现到CAN网络的物理连接，USB_CAN接口模块的各个部分由主控计算机的USB端口提供电源，DC-DC电源隔离模块为光电隔离和CAN收发器提供经过隔离后的电源。

5、如权利要求3所述的基于CAN网络的土木工程受力监测系统，其特征是，所述的日期时间设置模块能自动计时，并能提供包括年、月、日、小时、分钟、秒、星期时间信息，用于给实时采集的数据提供时间标识，微处理器可设置该模块的定时间隔，在定时结束时，该模块以中断的形式通知微处理器，该模块内部配有锂离子电池，在电源管理停止供电的情况下，对日期时间内容没有任何影响。

6、一种基于CAN网络的土木工程受力监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，振弦传感器按设计要求埋设、浇筑后，以40米范围内的传感器为一组，并引入采集单元的集线箱；

第二步，采集单元接入CAN总线的拓扑网络，并设置该单元的CAN标识；

第三步，在主控计算机中，输入采集节点的标识、集线箱中振弦传感器的个数及其标定数据、采集数据的时间间隔参数，形成指令；

第四步，主控计算机将指令发送到PC_CAN接口模块，PC_CAN接口模块将指令封装成符合CAN标准的数据包，并将该数据包发送到CAN总线的拓扑网络

第五步，采集单元的微处理器通过CAN模块接收到数据包，提取相关参数；

第六步，微处理器根据参数初始化日期时间设置模块，并将参数存储到存储器扩展模块；

第七步，日期时间设置模块设定的时间间隔到了，触发中断，微处理器发出指令控制模拟通道切换开关，使选定的振弦传感器和激振拾振电路建立起电气连接；

第八步，微处理器控制激振电路，向振弦传感器发出激振信号；微处理器通过拾振电路获取振弦传感器的反馈数据；

第九步，微处理器读取当前的日期时间，将该单元的CAN标识、振弦传感器的序号、采集日期时间和反馈数据封装成符合CAN标准的数据包，存储到存储器扩展模块，并将该数据包发送到CAN总线的拓扑网络；

第十步，PC_CAN接口模块接收到网络上的数据包，提取相关数据并发送到主控计算机；

第十一步，主控计算机分析接收的数据并以文件的形式保存下来。

7、如权利要求6所述的基于CAN网络的土木工程受力监测方法，其特征是，第一步中，每一组内传感器埋设16个或32个。