1 基于以太網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述
橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是在橋梁體的關(guān)鍵部位安裝一些傳感器件，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)所采集的結(jié)構(gòu)參數(shù)在橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的變化，通過(guò)對(duì)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和處理，綜合評(píng)定橋梁的安全服役狀況。因此，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本應(yīng)該包含以下功能：
(1)各種傳感器信號(hào)的采集和處理；
(2)將采集到的數(shù)據(jù)變送至上位機(jī)控制單元；
(3)上位機(jī)實(shí)時(shí)信號(hào)的監(jiān)控、分析和處理；
(4)歷史數(shù)據(jù)的保存和查閱。
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也正逐步應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外許多大型橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。將監(jiān)測(cè)儀通過(guò)以太網(wǎng)連接到中央控制機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和共享，從而在監(jiān)控中心就可以對(duì)橋梁各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。
基于以太網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，監(jiān)測(cè)儀主要完成數(shù)據(jù)的采集和變送，由于橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集和處理的數(shù)據(jù)量非常大，實(shí)時(shí)性要求非常高，以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)難以滿(mǎn)足要求，本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)儀主板的設(shè)計(jì)充分利用了DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的時(shí)序邏輯功能，因此，可以滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)需求。
中央控制機(jī)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，同時(shí)能夠自行分析橋梁是否處在安全服役狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況下橋梁的損傷、安全性能下降的情況下能提示安全警報(bào)，避免發(fā)生重大的惡習(xí)安全事故。
2 基于以太網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件設(shè)計(jì)需求分析
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀將采集到的信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)PC，在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示、保存、分析采集數(shù)據(jù)信息，既能夠充分利用了DSP在現(xiàn)場(chǎng)高速采集處理數(shù)據(jù)的能力，又能夠充分利用了上位PC機(jī)在繪制圖像和保存數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢(shì)。因此，一個(gè)完整的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在中央監(jiān)控部分應(yīng)該完成以下幾個(gè)功能：
(1)每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀IP地址、MAC地址、Port端口等網(wǎng)絡(luò)地址信息、運(yùn)行模式以及系統(tǒng)采樣時(shí)間的設(shè)定；
(2)監(jiān)測(cè)儀8個(gè)通道的采樣頻率、放大倍數(shù)、采樣保存時(shí)間的設(shè)定以及每個(gè)通道對(duì)應(yīng)傳感器類(lèi)型的選擇；
(3)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)的顯示可以以原始數(shù)據(jù)和FFT兩種格式，并且可以調(diào)整采樣時(shí)間設(shè)定一幀采集的數(shù)據(jù)量的大?。?br />
(4)八個(gè)通道數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、采集的時(shí)間能夠同步實(shí)時(shí)顯示在中央控制機(jī)上；
(5)越限報(bào)警。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，超出正常的數(shù)據(jù)范圍的時(shí)候，能夠向中央控制單元報(bào)警，便于工作人員及時(shí)查找出現(xiàn)的故障和損傷；
(6)能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。
2．2 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和流程
軟件設(shè)計(jì)核心部分主要有兩個(gè)，一個(gè)是中央控制單元向監(jiān)測(cè)儀發(fā)送命令參數(shù)，另一個(gè)是中央控制單元接收監(jiān)測(cè)儀發(fā)送回來(lái)的采集數(shù)據(jù)信息。PC機(jī)接收到采集的數(shù)據(jù)信息后，還需要根據(jù)系統(tǒng)要求繪制出數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖，便于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)為了歷史數(shù)據(jù)信息的查閱，還必須將采集到的數(shù)據(jù)保存到Excel文件，其流程圖如圖2所示。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)和流程，采用了四個(gè)線(xiàn)程：
線(xiàn)程1：UINT SendCMDToDSP(LPVOID IParam)，完成向DSP發(fā)送在主程序設(shè)定的命令參數(shù)；
線(xiàn)程2：UINT、RecieveData(LPVOID IParam)，完成接收采集的數(shù)據(jù)信息；
線(xiàn)程3：UINT DrawCurve(LPVOID IParam)，將采集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)圖像；
線(xiàn)程4：UINT StoreToExcel(LPVOID IParam)，將采集到的數(shù)據(jù)保存到Excel文件，便于查閱分析歷史數(shù)據(jù)。
其中，由于PC是被動(dòng)接收監(jiān)測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)，為了保證在接收數(shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失，要把RecieveData線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高。
Windows本身采用的是消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程發(fā)出一條消息時(shí)，操作系統(tǒng)首先接收到該消息，然后把該消息轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)線(xiàn)程。所以可以自定義消息，然后通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線(xiàn)程向另一個(gè)線(xiàn)程發(fā)送消息。
首先SendCMDToDSP線(xiàn)程發(fā)送參數(shù)命令給監(jiān)測(cè)儀主板核心器件DSP，DSP收到參數(shù)命令后，按參數(shù)命令的要求向PC發(fā)送數(shù)據(jù)，RecieveData線(xiàn)程監(jiān)聽(tīng)到DSP開(kāi)始發(fā)送采集數(shù)據(jù)后，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。由于Recie-veData線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)別高于SendCMDToDSP線(xiàn)程，所以當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送命令參數(shù)，SendCMDToDSP線(xiàn)程則需要等待RecieveData線(xiàn)程接收完數(shù)據(jù)才能開(kāi)始發(fā)送命令參數(shù)，這樣就不會(huì)造成命令參數(shù)的覆蓋。在PC機(jī)內(nèi)存區(qū)域開(kāi)辟一塊緩沖區(qū)用于接收數(shù)據(jù)，RecieveData開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)存緩沖區(qū)滿(mǎn)的時(shí)候，RecieveData線(xiàn)程PostThreadMessage一個(gè)消息給DrawCurve線(xiàn)程，將緩沖區(qū)指針和大小作為消息參數(shù)傳遞過(guò)去，然后釋放緩沖區(qū)，再等待接收數(shù)據(jù)；DrawCurve線(xiàn)程接收到消息后，分配另一塊內(nèi)存保存數(shù)據(jù)，繪完采集數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)圖像后，DrawCurve線(xiàn)程PostThreadMessage一個(gè)消息給StoreToExcel線(xiàn)程，將新的內(nèi)存指針和大小作為消息參數(shù)傳遞過(guò)去，然后把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)釋放，再繼續(xù)等待消息；StoreToExcel線(xiàn)程獲取消息后，同樣分配另一塊內(nèi)存保存數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)保存到Excel文件，然后把緩沖區(qū)釋放，再繼續(xù)等待消息。
2．3 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)
PC與DSP的數(shù)據(jù)通信采用的是以太網(wǎng)通信，上位PC機(jī)向DSP發(fā)送設(shè)定好的命令參數(shù)，DSP則按照接收到的命令參數(shù)采集數(shù)據(jù)，然后向PC機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)通信部分采用的是套接口Socket編程，套接口Socket提供了許多函數(shù)，利用這些函數(shù)，程序員就可以實(shí)現(xiàn)DSP和上位PC機(jī)的以太網(wǎng)通信。
2．3．1 發(fā)送命令模塊
當(dāng)上位PC機(jī)向監(jiān)測(cè)儀發(fā)送IP地址、MAC地址等命令參數(shù)時(shí)，監(jiān)測(cè)儀作為服務(wù)器端，PC機(jī)作為客戶(hù)端。在服務(wù)器端和客戶(hù)端分別創(chuàng)建一個(gè)套接口Socket，然后在系統(tǒng)上電后，監(jiān)測(cè)儀就處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到PC有連接請(qǐng)求時(shí)，監(jiān)測(cè)儀服務(wù)端又創(chuàng)建一個(gè)新的套接口stcpctive來(lái)與PC建立連接，當(dāng)監(jiān)測(cè)儀與PC建立連接以后，PC就可以向監(jiān)測(cè)儀發(fā)送命令參數(shù)了。在此過(guò)程中，PC每次向監(jiān)測(cè)儀發(fā)送100 B的命令參數(shù)，其中，第一個(gè)字節(jié)是區(qū)分不同命令參數(shù)的標(biāo)志，監(jiān)測(cè)儀接收到命令參數(shù)后，利用這個(gè)標(biāo)志來(lái)設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)這種方式，依次設(shè)定監(jiān)測(cè)儀各個(gè)通道的采樣頻率、保存時(shí)間、PGA、采樣閾值、FFT使能以及監(jiān)測(cè)儀本身的IP地址、MAC地址、運(yùn)行時(shí)模式以及監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)時(shí)間的設(shè)置，其流程如圖3所示。
2．3．2 接收數(shù)據(jù)模塊
當(dāng)監(jiān)測(cè)儀將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到上位PC機(jī)時(shí)，PC機(jī)作為服務(wù)器端，監(jiān)測(cè)儀作為客戶(hù)端。同樣，也是在PC機(jī)服務(wù)器端和監(jiān)測(cè)儀客戶(hù)端各創(chuàng)建一個(gè)套接口Socket，當(dāng)PC機(jī)上的應(yīng)用程序開(kāi)始運(yùn)行后，PC機(jī)就處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到有監(jiān)測(cè)儀端有連接請(qǐng)求的時(shí)候，就創(chuàng)建一個(gè)新的套接口stcpctive與監(jiān)測(cè)儀建立連接。當(dāng)PC機(jī)與監(jiān)測(cè)儀建立連接以后，監(jiān)測(cè)儀依次向PC機(jī)發(fā)送采樣時(shí)間、通道號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、采樣數(shù)據(jù)。采樣時(shí)間即表示該發(fā)送的數(shù)據(jù)對(duì)象是哪個(gè)時(shí)刻的采樣結(jié)果。為了接收監(jiān)測(cè)儀發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，需要在內(nèi)存緩沖區(qū)開(kāi)辟一個(gè)容量為16 384×4的buffer，每臺(tái)監(jiān)測(cè)儀8個(gè)通道，因此開(kāi)辟8個(gè)buffer，用來(lái)存放8個(gè)通道接收到的數(shù)據(jù)，其流程如圖4所示。
3 模擬測(cè)試
橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展還有很多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此，數(shù)據(jù)的采集測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用波形發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號(hào)來(lái)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)。設(shè)定好通道號(hào)、采樣時(shí)間、采樣頻率和放大倍數(shù)等命令參數(shù)，運(yùn)行程序，可以看到如圖5所示的三角波波形。其中，橫坐標(biāo)表示在設(shè)定的采樣時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，即為1 s時(shí)間內(nèi)采集512個(gè)數(shù)據(jù)。縱坐標(biāo)表示采集信號(hào)的幅值，由于從傳感器出來(lái)的信號(hào)電壓是-2．5～2．5 V，ADC采樣分辨率為24 b，去掉第24位，取中間值即222，為0 V，如圖5所示。采集數(shù)據(jù)無(wú)漏點(diǎn)，波形完整，因此符合橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)的基本需要。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文完成了基于以太網(wǎng)的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各種傳感器信號(hào)的采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C上，實(shí)時(shí)顯示各采集信號(hào)的輸出波形，并將采集到的數(shù)據(jù)保存至Excel文件，便于歷史查閱和分析。軟件設(shè)計(jì)界面友好，可完成一般的橋梁健康監(jiān)測(cè)任務(wù)。