王浩 周雨 王勇 王寧

徐州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢驗(yàn)檢測中心 江蘇徐州 221000

1 大型建筑動(dòng)態(tài)檢測應(yīng)用

大型建筑使用壽命較長，在役期間受環(huán)境侵蝕、荷載效應(yīng)、疲勞效應(yīng)、突變效應(yīng)等因素疊加作用，致使其材料、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷，而損傷的積累，最終導(dǎo)致重大事故的反生。因此，對(duì)大型建筑進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測及監(jiān)測，可為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架建筑在施工及運(yùn)營期間安全性提供參考數(shù)據(jù)[3]。將每個(gè)鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)作為一個(gè)傳感單元，收集多個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)同工作對(duì)各種自然災(zāi)害對(duì)這些鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響的多個(gè)警示結(jié)果，利用智能算法進(jìn)行相互校準(zhǔn)，判斷警示結(jié)果的有效性和可信度，有利于大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工優(yōu)化。

大型建筑施工及使用過程中，其結(jié)構(gòu)件因約束和荷載在不同階段而變化，其受力情況較為復(fù)雜，施工技術(shù)的非標(biāo)準(zhǔn)化，模擬計(jì)算預(yù)估不足等諸多因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件損傷，引發(fā)較多事故。大型建筑的動(dòng)態(tài)加測，獲取結(jié)構(gòu)件測動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析，優(yōu)化施工和設(shè)計(jì)，為建筑質(zhì)量評(píng)定提供溯源數(shù)據(jù)。

大型建筑動(dòng)態(tài)檢測監(jiān)測已廣泛應(yīng)用于各種大型建筑，例如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑、橋梁和水壩等。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測的技術(shù)手段，主要是在建筑的柱、梁、拉鎖、壩體布置各種傳感器采集檢測檢測物體的力學(xué)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和外部環(huán)境參數(shù)。大型建筑動(dòng)態(tài)檢測監(jiān)測為存在共性的大型建筑提供了施工及維護(hù)的參考數(shù)據(jù)[1]。

2 CAN總線的應(yīng)用

CAN總線是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于汽車、自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域[5][6]。

2.1 CAN總線的優(yōu)越性

CAN總線協(xié)議已形成國際標(biāo)準(zhǔn)。CAN控制器工作于多主方式，且采用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，上述特點(diǎn)使CAN總線各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)通信性能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)和成本降低。CAN總線通過CAN控制器兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)檢錯(cuò)功能，可以檢測出信號(hào)在傳輸中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，從而提高信息傳輸精度和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。CAN總線可由CAN控制器芯片和接口芯片組合開發(fā)，降低了開發(fā)難度。CAN總線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架建筑動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)融合結(jié)構(gòu)力學(xué)、多傳感器融合和計(jì)算機(jī)通訊等學(xué)科的共融系統(tǒng)工程，目的是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)連續(xù)檢測、監(jiān)測和識(shí)別大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架建筑損傷狀況。

2.2 檢測系統(tǒng)設(shè)想

檢測系統(tǒng)集合了數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，集傳感器、信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體，是獲取信息的重要手段。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要使用大量外圍芯片，這需要主處理器控制、鏈接好各模塊以保證各通道的暢通，這樣不但使系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較為龐大，且開發(fā)成本高、設(shè)計(jì)效率低。為此本設(shè)計(jì)選擇將A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、CAN控制器集于一體的C8051F04系列單片機(jī)來構(gòu)建該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過動(dòng)態(tài)控制模擬輸入與未處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，并采用內(nèi)部CAN控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的方法，大大簡化了設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了微小型化。

2.3 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)主要組成包括參數(shù)的檢測與處理模塊（傳感器，CAN節(jié)點(diǎn)，主控制器）和上位機(jī)監(jiān)控中心兩部分組成，如圖2所示。工作參數(shù)的檢測與處理模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送。從鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架建筑結(jié)構(gòu)中提取反映結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)信息，如擾度、震動(dòng)頻率、加速度、位移、風(fēng)速。溫度等信號(hào)送入主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議封裝后通過現(xiàn)場CAN總線傳送至上位機(jī)CAN總線，最后通過串口將采集的信息發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)信息，如圖3所示。PC機(jī)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)解析現(xiàn)場發(fā)出的數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)。

圖2 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

2.4 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集與處理，通信模塊的接收和發(fā)送是基于英飛凌公司XC2267M微控制進(jìn)行設(shè)計(jì)的。XC2267M是一款16/32位單芯片微控制控制器，片上有MultiCAN接口、通用串行接口模塊并且?guī)в袃蓚€(gè)可同步的A/D轉(zhuǎn)換器，可以提供多達(dá)16個(gè)通道，完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求，信號(hào)采集模塊電路如4所示[7]。

圖4 信號(hào)采集模塊電路

（1）模擬量采集電路。以應(yīng)力應(yīng)變采集裝置舉例，應(yīng)力應(yīng)變采集裝置有應(yīng)變片、正弦應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器等。在檢測系統(tǒng)施工現(xiàn)場，收到檢測結(jié)構(gòu)件、施工條件等因素影響，應(yīng)力應(yīng)變檢測需選用各種不同型號(hào)傳感器，甚至不同類型的傳感器，數(shù)據(jù)的傳輸需采用不同串口協(xié)議，但傳感器輸出多為電壓/電流輸出，采集模擬量采集電路很好上述問題，另外在A/D轉(zhuǎn)換之前接入一個(gè)電壓跟隨器，可以較好提高帶負(fù)載能力，獲得穩(wěn)定的輸出信號(hào)。模擬量采集的部分硬件原理圖如圖5所示。

圖5 模擬量采集電路

（2）數(shù)字量采集電路。開關(guān)信號(hào)只有兩種狀態(tài)，處理電路相對(duì)簡單，如圖5所示。MCU要求的I/O輸入端電壓范圍為0~5V，因此使用肖特基二極管BAT54S進(jìn)行鉗位處理，即當(dāng)輸入電壓高于+5V時(shí)，將電壓鉗位在+5V，當(dāng)電壓低于0V時(shí)，將電壓鉗位在0V。輸入電壓鉗位后，送入反相器中處理，經(jīng)反相器再送入MCU。圖6位信號(hào)采集模塊電路。

圖6 數(shù)字量采集電路

CAN外圍收發(fā)器電路

2.5 CAN通信電路

CAN通訊節(jié)點(diǎn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻、防靜電（electro-stanticdischarge,ESD）保護(hù)電路組成。微控制器InfineonXC2267集成了MultiCAN模塊，其包含6個(gè)全功能CAN節(jié)點(diǎn)，每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立工作或者通過網(wǎng)關(guān)功能交換數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀。CAN總線收發(fā)模塊選用T1公司ISO1050DUB，ISO1050DUB是一款電鍍隔離的CAN收發(fā)器。該器件可為總線和CAN控制器分別提供差分發(fā)射能力和差分接收能力，信號(hào)傳輸速率高達(dá)1M/s。該器件尤其適合工作在惡劣環(huán)境下，其具有串線、過壓和接地?fù)p耗保護(hù)。CAN通信電路如圖6所示。圖中CAN0-TXD和CAN0-TXD分別對(duì)應(yīng)CAN控制器的發(fā)送與接收。ISO1050DUB對(duì)電壓穩(wěn)定度要求很高，選用DY-05S05進(jìn)行電壓隔離。采用PSM71芯片為其提供保護(hù)，防止靜電，三級(jí)雷電和開關(guān)瞬變。在CAN L和CAN H接入阻值為120Ω的終端保護(hù)電阻即圖中R11為120Ω，它增強(qiáng)CAN總線通訊的可靠性與抗干擾能力。圖7為信號(hào)采集模塊電路。

2.6 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

（1）驅(qū)動(dòng)底層電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理。

（2）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波處理，消除因脈沖干擾引起的采樣偏差。

（3）將濾波處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理，然后通過CAN將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行硬件電路的初始化（MAIN_vInit（）），然后進(jìn)行CAN收發(fā)器和串口的初始化。CAN接收中斷收到PC端數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后，通過CAN_vTransmit()發(fā)送函數(shù)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)以設(shè)計(jì)好的CAN報(bào)文形式發(fā)送至PC端CAN節(jié)點(diǎn)，CAN通信流程圖如圖7所示。

圖7 CAN通信流程圖

監(jiān)控端軟件是基于VisualC++進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)接收與處理的部分代碼界面如圖8所示：

圖8 數(shù)據(jù)接收與處理的部分代碼界面

2.7 數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)單傳感器動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行處理分析[2][4]，使用傅立葉變換函數(shù)，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換單頻域，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)所包含的頻率信息則直觀的展現(xiàn)出來，并對(duì)其進(jìn)行功率密度普進(jìn)行分析。利用多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，確定結(jié)構(gòu)件檢測結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

本文提出的大型建筑的動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)解決了多傳感器兼容性的問題，為在建和在役大型建筑的動(dòng)態(tài)檢測提供了技術(shù)手段；大型建筑的動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)為建筑的建設(shè)企業(yè)提供施工階段結(jié)構(gòu)的特征數(shù)據(jù)，有利于施工技術(shù)的優(yōu)化，便于形成標(biāo)準(zhǔn)化的施工流程，同時(shí)為建筑的運(yùn)營單位提供了直觀可靠的安全參數(shù)，有利于建筑的維護(hù)。