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摘 要：利用现代传感器以及Internet通信技术远程监测桥梁健康参数，正在逐步应用在国内外许多大型桥梁监测之中，不仅可以节省人力，并且具有准确性、实时性、安全性等。本文提出了一种基于CAN总线的数据采集系统的设计方案，介绍了数据采集系统的系统功能、硬件结构以及软件设计方案。实际应用表明，该系统简单、运行稳定、可靠性高。
关键词：CAN 总线；桥梁监测；数据采集；控制系统
1．引言
在桥梁健康监测工作中，数据采集是整个监测系统中最重要的一个环节。为了避免造成重大的经济损失，力求对桥梁结构进行实时监控和结构状态的智能化评估，通过测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其健康运行情况，分析其是否受到损伤，以便将未知的危害降到最低。这对确保桥梁的运营安全，及早发现桥梁问题，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。
本系统采用应力式传感器，设计桥梁的数据采集及其监控系统。包括数据采集模块，控制模块和通信模块，通过CAN 总线将采集到的数据传送到工控机，并通过Internet 将数据传送到远端的控制室的终端PC 上，在终端PC 上远程监控桥梁的健康情况。
2．系统总体结构
由于CAN总线为多主方式工作，最多可挂接110个节点，系统采用现场总线分布式数据采集控制方式。系统主要包括现场数据采集控制系统、现场控制室、远端控制室三大部分。其系统总体结构如图1所示。
现场数据采集控制系统，可分为A/D 转换单元、MCU 以及CAN 控制器、光耦隔离、CAN 驱动器等接口电路单元。其主要功能是采集分布于不同桥墩现场拉力传感器采集的实时信息，并根据所得的信息发送控制命令，控制现场的设备，例如实现故障报警功能等。
由于CAN 的通信距离有限，并且远端控制室和现场相隔较远，所以就需对数据进行预处理。现场控制室主要由CAN 接口适配卡以及上位机PC 组成，并且通过代理服务器，将数据发送到远端的控制室。并且还外接可移动存储设备以便于数据的更新与备份。
远端的控制室主要由客户端PC 以及通过Internet 以及客户端的操作软件，可以实现对CAN 节点传送来的数据进行存储、数据分析、数据打印等基本功能及其操作。
3．电路设计
整个系统的电路设计，分为传感器和单片机组成的现场数据采集控制部分、现场工控机和CAN 接口适配卡以及代理服务器组成的现场控制室的传输部分、终端PC 机和操作软件组成的数据处理部分。其中关键是现场的数据采集控制部分，我们将对这一部分进行重点研究。
3.1 数据采集
基于CAN 总线的分布式数据采集与控制系统的结构特点，能够将系统功能尽可能地分散到各个节点；各节点以微处理器为核心，完成各种数据采集与监控功能。为了把各个节点不同的种类、不同的格式的信息能够在基于CAN 的协议标准下通信，每个节点都设有与CAN 总线接口的电路。数据采集部分的电路如图2 所示：
由图2 可知，此电路是以单片机STC89C52 为核心处理芯片，整个硬件电路由五个部分组成：
1） CAN 总线接口电路：由SJA1000及82C250 组成，STC89C52 对SJA1000 的操作，相等于外部RAM 的操作，其P0 口接SJA1000 的AD0～AD7,ALE、/WR、/RD、P2.5 端分别接SJA1000 的ALE、/WR、/RD、/CS 端，另外SJA1000 的中断信号/INT 接STC89C52 的/INT0端，使得STC89C52 可收发各类信息。CAN 总线收发器82C250 提供了CAN 控制器与物理总线之间的接口，提供总线的差动发送和接收能力，抗干扰能力，使得信号能够更远更可靠的传输。其TXD、RXD 端通过高速光耦分别接SJA1000 的TX0、RX0，两个输出端CANH和CANL 分别与物理总线的CAN_H 和CAN_L 连接，在总线的末端加上120Ω 匹配电阻，以减少信号反射干扰。
2）A/D 转换电路：由11 路模/数转换芯片TLC2543 实现，STC89C52 的P1.0～P1.3 引脚分别与TLC2543 的/CS、CLOCK、DATA IN 和DATA OUT 相连，通过这些连接，STC89C52可以控制A/D 的转换的时间、选择转换通道、极性等；当A/D 转换结束后，TLC2543 通过EOC 引脚，以中断的形式通知STC89C52 接收数据。其中TLC2543 为CMOS 12 位开关电容逐次逼近模/数转换器。具有快速转换和通用的控制能力。片内设有采样-保持电路。
3）RS-232 协议转换电路：该电路主要完成现场的数据调试功能。其中STC89C52 通过串口TXD、RXD 与MAX232 的相应管脚相连，当STC89C52 需要将从现场采集到的数据或从CAN 总线上接收到的数据转换成RS-232 协议格式的信息与现场设备或其他模块进行通信时，可直接将信息通过串口TXD、RXD 传送给MAX232，由芯片MAX232 完成数据格式的转换。
4）多路输入输出电路：该部分主要完成现场故障报警、结果显示等功能。由于基于CAN总线的数据采集模块可直接与多种模拟量或数字量设备相连，所以当模块需要采集现场的I/O 信息或需要根据处理结果进行显示、报警、控制时，可通过由P1.4～P1.7 和高速光耦隔离组成的多路输入输出电路实现。
5）数据存储器RAM 扩展电路：此外，为了满足数据存取和处理的需要，电路还扩展
了8K 的数据存贮器空间（RAM）。
3.2 数据传输
服务器担负着与单片机通信、数据处理、数据存储和与控制室通信等多项任务，是连接桥梁现场和远端控制室的重要组成部分，它的优劣直接影响整个系统的性能。我们最终目标是实现整个系统的无人值守和长期连续的工作，因此要求服务器性能稳定、工作可靠，本系统中选择性能优越的工控机操作系统Windows Server 2003，数据库系统软件采用SQL Server2005，另外由于本系统为连续工作，而数据量很大，所以服务器外接可移动存储设备以利于数据的更新与备份。
现场的代理服务器负责接收下位机采集到的桥梁状态信息，在这里信息进行预处理，例如和预设的报警门限值进行比较，如果超过门限值则马上发出报警，同时数据在这里存入数据库。现场服务器与Internet 网络连接数据，经过打包实时的传送给远端的控制中心，在这里进行最终的分析和处理实时地显示出状态变化。
3.3 数据处理
数据处理部分主要负责，数据分析、处理等功能。由客户端PC 和操作软件界面，通过Internet 负责接数据，并且进行数据分析、数据处理等。
4．软件设计
系统的软件设计可以分为数据采集、数据传输和数据处理三部分。其中数据传输部分包括单片机与服务器之间数据传输、服务器与控制室PC 之间的数据传输，数据处理包括客户端的PC 机上的客户操作、分析、处理软件等。
根据分布式数据采集与控制系统的特点，系统各个节点之间和节点到操作站的距离较远，现场环境干扰大。整个系统应有实时数据采集、实时控制、实时故障报警、现场情况现实、数据存储、历史数据查询、打印报表等功能。
4.1 数据采集部分软件设计
数据采集部分的程序流程如下图3所示
由此软件结构图可知，STC89C52先对自身进行初始化，然后立即对SJA1000进行初始化以尽快建立该数据采集模块与CAN总线之间的通信链接，其中对SJA1000的初始化是该软件设计中一个比较关键的部分，主要包括在复位模式下设置通信的波特率、AMR、ACR、OCR、CDR，要根据与将要发送的报文标识符有关。BTR0、BTR1寄存器的内容可以唯一确定系统的通信波特率和同步跳转宽度。所以整个系统中的所有节点，这两个寄存器的内容必须相同，否则无法通信；对ORC的操作可确定CAN控制器的输出方式，并建立起CAN总线要求的电平逻辑所需输出驱动器的配置。
与CAN 总线的通信建立之后，STC89C52 就开始采集现场数据，先是模拟量，然后是数字量，在对模拟量的数据采集中，为了减少外部干扰带来的误差还进行了消除误差处理，主要包括判断数据是否存在超大误差，对连续多次采样得到的数据求平均值作为采样值等措施，以减少系统采样误差。再判断是否采集的值超出设定的界限，需要报警否，是否现实设备的状态，是否准备往CAN 总线发送数据等，如需要则进行不同数据的转换。
4.2 数据传输部分
服务器是整个系统的核心，它担负着数据采集，数据管理和传输数据的任务，因此它的工作直接影响到整个系统的性能和工作，由于本系统要求服务器能够在无人职守的情况下长期稳定的工作，最好选用性能优越的工控机，可以为采集系统提供更多的串行口。
客户端的主要任务是接收数据和处理数据，实现数据传输的第一步是客户端必须连上服务器，首先要设置服务器的IP 地址和端口号，然后发送联机请求。
4.3 数据处理部分
数据处理部分是要在远端控制室的PC 机上，实现友好的人机操作界面，具有实时控制、实时故障报警、现场情况现实、数据存储、历史数据查询、打印报表等功能，通过MicrosoftVisual C++6.0 编程，进行对各种数据源进行操作访问，远程监控桥梁的健康情况。
5．结束语
桥梁的健康状况监测对于桥梁的安全运行有着重要的意义。本文首先介绍了CAN 总线的性能，在分析了桥梁的结构特点的基础上，设计了利用传感器、CAN 总线以及Internet网络实现桥梁状态远程监测的方法，提高了对桥梁结构损坏和突发事件的反应速度并且节约人力物力。它改变了传统的以人工为主的检测手段，大大的提高了桥梁监测的实时性、准确性、安全性等。
桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进,而是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息,由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性,为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。
关键词：CAN 总线；桥梁监测；数据采集；控制系统
1．引言
在桥梁健康监测工作中，数据采集是整个监测系统中最重要的一个环节。为了避免造成重大的经济损失，力求对桥梁结构进行实时监控和结构状态的智能化评估，通过测定其关键性能指标，获取反映结构状况的信息，分析其健康运行情况，分析其是否受到损伤，以便将未知的危害降到最低。这对确保桥梁的运营安全，及早发现桥梁问题，延长桥梁的使用寿命起着积极的作用。
本系统采用应力式传感器，设计桥梁的数据采集及其监控系统。包括数据采集模块，控制模块和通信模块，通过CAN 总线将采集到的数据传送到工控机，并通过Internet 将数据传送到远端的控制室的终端PC 上，在终端PC 上远程监控桥梁的健康情况。
2．系统总体结构
由于CAN总线为多主方式工作，最多可挂接110个节点，系统采用现场总线分布式数据采集控制方式。系统主要包括现场数据采集控制系统、现场控制室、远端控制室三大部分。其系统总体结构如图1所示。
现场数据采集控制系统，可分为A/D 转换单元、MCU 以及CAN 控制器、光耦隔离、CAN 驱动器等接口电路单元。其主要功能是采集分布于不同桥墩现场拉力传感器采集的实时信息，并根据所得的信息发送控制命令，控制现场的设备，例如实现故障报警功能等。
由于CAN 的通信距离有限，并且远端控制室和现场相隔较远，所以就需对数据进行预处理。现场控制室主要由CAN 接口适配卡以及上位机PC 组成，并且通过代理服务器，将数据发送到远端的控制室。并且还外接可移动存储设备以便于数据的更新与备份。
远端的控制室主要由客户端PC 以及通过Internet 以及客户端的操作软件，可以实现对CAN 节点传送来的数据进行存储、数据分析、数据打印等基本功能及其操作。
3．电路设计
整个系统的电路设计，分为传感器和单片机组成的现场数据采集控制部分、现场工控机和CAN 接口适配卡以及代理服务器组成的现场控制室的传输部分、终端PC 机和操作软件组成的数据处理部分。其中关键是现场的数据采集控制部分，我们将对这一部分进行重点研究。
3.1 数据采集
基于CAN 总线的分布式数据采集与控制系统的结构特点，能够将系统功能尽可能地分散到各个节点；各节点以微处理器为核心，完成各种数据采集与监控功能。为了把各个节点不同的种类、不同的格式的信息能够在基于CAN 的协议标准下通信，每个节点都设有与CAN 总线接口的电路。数据采集部分的电路如图2 所示：
由图2 可知，此电路是以单片机STC89C52 为核心处理芯片，整个硬件电路由五个部分组成：
1） CAN 总线接口电路：由SJA1000及82C250 组成，STC89C52 对SJA1000 的操作，相等于外部RAM 的操作，其P0 口接SJA1000 的AD0～AD7,ALE、/WR、/RD、P2.5 端分别接SJA1000 的ALE、/WR、/RD、/CS 端，另外SJA1000 的中断信号/INT 接STC89C52 的/INT0端，使得STC89C52 可收发各类信息。CAN 总线收发器82C250 提供了CAN 控制器与物理总线之间的接口，提供总线的差动发送和接收能力，抗干扰能力，使得信号能够更远更可靠的传输。其TXD、RXD 端通过高速光耦分别接SJA1000 的TX0、RX0，两个输出端CANH和CANL 分别与物理总线的CAN_H 和CAN_L 连接，在总线的末端加上120Ω 匹配电阻，以减少信号反射干扰。
2）A/D 转换电路：由11 路模/数转换芯片TLC2543 实现，STC89C52 的P1.0～P1.3 引脚分别与TLC2543 的/CS、CLOCK、DATA IN 和DATA OUT 相连，通过这些连接，STC89C52可以控制A/D 的转换的时间、选择转换通道、极性等；当A/D 转换结束后，TLC2543 通过EOC 引脚，以中断的形式通知STC89C52 接收数据。其中TLC2543 为CMOS 12 位开关电容逐次逼近模/数转换器。具有快速转换和通用的控制能力。片内设有采样-保持电路。
3）RS-232 协议转换电路：该电路主要完成现场的数据调试功能。其中STC89C52 通过串口TXD、RXD 与MAX232 的相应管脚相连，当STC89C52 需要将从现场采集到的数据或从CAN 总线上接收到的数据转换成RS-232 协议格式的信息与现场设备或其他模块进行通信时，可直接将信息通过串口TXD、RXD 传送给MAX232，由芯片MAX232 完成数据格式的转换。
4）多路输入输出电路：该部分主要完成现场故障报警、结果显示等功能。由于基于CAN总线的数据采集模块可直接与多种模拟量或数字量设备相连，所以当模块需要采集现场的I/O 信息或需要根据处理结果进行显示、报警、控制时，可通过由P1.4～P1.7 和高速光耦隔离组成的多路输入输出电路实现。
5）数据存储器RAM 扩展电路：此外，为了满足数据存取和处理的需要，电路还扩展
了8K 的数据存贮器空间（RAM）。
3.2 数据传输
服务器担负着与单片机通信、数据处理、数据存储和与控制室通信等多项任务，是连接桥梁现场和远端控制室的重要组成部分，它的优劣直接影响整个系统的性能。我们最终目标是实现整个系统的无人值守和长期连续的工作，因此要求服务器性能稳定、工作可靠，本系统中选择性能优越的工控机操作系统Windows Server 2003，数据库系统软件采用SQL Server2005，另外由于本系统为连续工作，而数据量很大，所以服务器外接可移动存储设备以利于数据的更新与备份。
现场的代理服务器负责接收下位机采集到的桥梁状态信息，在这里信息进行预处理，例如和预设的报警门限值进行比较，如果超过门限值则马上发出报警，同时数据在这里存入数据库。现场服务器与Internet 网络连接数据，经过打包实时的传送给远端的控制中心，在这里进行最终的分析和处理实时地显示出状态变化。
3.3 数据处理
数据处理部分主要负责，数据分析、处理等功能。由客户端PC 和操作软件界面，通过Internet 负责接数据，并且进行数据分析、数据处理等。
4．软件设计
系统的软件设计可以分为数据采集、数据传输和数据处理三部分。其中数据传输部分包括单片机与服务器之间数据传输、服务器与控制室PC 之间的数据传输，数据处理包括客户端的PC 机上的客户操作、分析、处理软件等。
根据分布式数据采集与控制系统的特点，系统各个节点之间和节点到操作站的距离较远，现场环境干扰大。整个系统应有实时数据采集、实时控制、实时故障报警、现场情况现实、数据存储、历史数据查询、打印报表等功能。
4.1 数据采集部分软件设计
数据采集部分的程序流程如下图3所示
由此软件结构图可知，STC89C52先对自身进行初始化，然后立即对SJA1000进行初始化以尽快建立该数据采集模块与CAN总线之间的通信链接，其中对SJA1000的初始化是该软件设计中一个比较关键的部分，主要包括在复位模式下设置通信的波特率、AMR、ACR、OCR、CDR，要根据与将要发送的报文标识符有关。BTR0、BTR1寄存器的内容可以唯一确定系统的通信波特率和同步跳转宽度。所以整个系统中的所有节点，这两个寄存器的内容必须相同，否则无法通信；对ORC的操作可确定CAN控制器的输出方式，并建立起CAN总线要求的电平逻辑所需输出驱动器的配置。
与CAN 总线的通信建立之后，STC89C52 就开始采集现场数据，先是模拟量，然后是数字量，在对模拟量的数据采集中，为了减少外部干扰带来的误差还进行了消除误差处理，主要包括判断数据是否存在超大误差，对连续多次采样得到的数据求平均值作为采样值等措施，以减少系统采样误差。再判断是否采集的值超出设定的界限，需要报警否，是否现实设备的状态，是否准备往CAN 总线发送数据等，如需要则进行不同数据的转换。
4.2 数据传输部分
服务器是整个系统的核心，它担负着数据采集，数据管理和传输数据的任务，因此它的工作直接影响到整个系统的性能和工作，由于本系统要求服务器能够在无人职守的情况下长期稳定的工作，最好选用性能优越的工控机，可以为采集系统提供更多的串行口。
客户端的主要任务是接收数据和处理数据，实现数据传输的第一步是客户端必须连上服务器，首先要设置服务器的IP 地址和端口号，然后发送联机请求。
4.3 数据处理部分
数据处理部分是要在远端控制室的PC 机上，实现友好的人机操作界面，具有实时控制、实时故障报警、现场情况现实、数据存储、历史数据查询、打印报表等功能，通过MicrosoftVisual C++6.0 编程，进行对各种数据源进行操作访问，远程监控桥梁的健康情况。
5．结束语
桥梁的健康状况监测对于桥梁的安全运行有着重要的意义。本文首先介绍了CAN 总线的性能，在分析了桥梁的结构特点的基础上，设计了利用传感器、CAN 总线以及Internet网络实现桥梁状态远程监测的方法，提高了对桥梁结构损坏和突发事件的反应速度并且节约人力物力。它改变了传统的以人工为主的检测手段，大大的提高了桥梁监测的实时性、准确性、安全性等。
桥梁结构健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进,而是运用现代传感与通信技术，实时监测桥梁运营阶段在各种环境条件下的结构响应与行为，获取反映结构状况和环境因素的各种信息,由此分析结构健康状态、评估结构的可靠性,为桥梁的管理与维护决策提供科学依据。