周芳芳，毛索穎，黃躍文，胡 蕾

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 3. 長(zhǎng)江科學(xué)院 國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

引張線儀主要應(yīng)用于大壩等水工建筑物水平位移的長(zhǎng)期觀測(cè)，引張線法是利用兩固定基準(zhǔn)點(diǎn)之間拉緊的不銹鋼絲作為基準(zhǔn)線(引張線)，利用此直線來(lái)測(cè)量建筑物各測(cè)點(diǎn)在垂直該基準(zhǔn)線方向上的水平位移的方法[1]，在測(cè)量時(shí)需要在一條引張線的范圍內(nèi)安裝多個(gè)引張線儀[2]。目前大部分引張線儀都采用RS485的通信方式，將多個(gè)引張線儀通過(guò)RS485的方式連接[3]，容易出現(xiàn)通信不穩(wěn)定、易出錯(cuò)等情況，且現(xiàn)場(chǎng)需要通過(guò)筆記本電腦連接串口調(diào)試助手，按照引張線儀的通信協(xié)議編寫(xiě)簡(jiǎn)單的通信指令才能讀取采集數(shù)據(jù)，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝及調(diào)試造成了很大的不便。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種采用線陣電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)非接觸式自動(dòng)化測(cè)量的引張線儀，通過(guò)采用控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線的通信方式，增強(qiáng)了引張線聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性，運(yùn)用藍(lán)牙通信及手機(jī)APP，方便現(xiàn)場(chǎng)的安裝及調(diào)試。

線陣CCD 屬于半導(dǎo)體光電器件，具有很高的光靈敏度，其像元集成度高、尺寸精確、間距固定，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性好。隨著 CCD 應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，CCD 的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，如幾何尺寸測(cè)量、光譜檢測(cè)分析、圖形掃描等技術(shù)領(lǐng)域[4]。

2 原理及總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的引張線儀自帶微處理器及存儲(chǔ)器，可自動(dòng)采集及存儲(chǔ)，具有藍(lán)牙通信功能，可連接手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)配置、實(shí)時(shí)采集、歷史數(shù)據(jù)查看等功能，采用CAN總線通訊接口，通過(guò)通訊轉(zhuǎn)換設(shè)備可直接接入軟件系統(tǒng)，儀器具有測(cè)量精度高、無(wú)電學(xué)漂移、性能穩(wěn)定等技術(shù)特點(diǎn)。引張線儀利用投影原理，采用光源通過(guò)透鏡后形成平行光的照射方式，將引張線在CCD器件上產(chǎn)生一個(gè)投影[3]，CCD器件不同像素點(diǎn)感光度的差異，對(duì)應(yīng)的輸出值將不同，CCD器件將每個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)按照相應(yīng)邏輯時(shí)序以電壓形式輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)各種數(shù)據(jù)處理后，定位引張線的位置，是一種非接觸式的位移測(cè)量方法。

圖1 引張線儀的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram ofwire alignment instrument

引張線儀需安裝在測(cè)點(diǎn)箱內(nèi)，測(cè)點(diǎn)箱不僅內(nèi)置浮托裝置及人工讀數(shù)標(biāo)尺，同時(shí)兼作引張線儀的保護(hù)箱。引張線儀采用密封的 ABS 外殼，具有良好的防潮防濕性能，如圖1所示，儀器中間部位向內(nèi)的凹槽為引張線通道，引張線懸空于引張線通道。引張線儀由點(diǎn)光源板、透鏡板、CCD采集通信板組成，引張線位于透鏡板與CCD采集通信板之間。

在引張線儀的結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)光源板的光源位于透鏡板中菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)處，點(diǎn)光源板的光源發(fā)出的光線通過(guò)菲涅爾透鏡后形成平行光，照射到引張線上后再照射到CCD采集通信板中的線陣CCD采集模塊上。引張線的遮擋位置會(huì)影響線陣CCD采集模塊上不同像素點(diǎn)的采集值，根據(jù)采集值的不同,判斷引張線位于哪些像素點(diǎn)處，從而定位引張線的水平位置。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 CCD采集通信板設(shè)計(jì)

CCD采集通信板實(shí)現(xiàn)引張線儀的控制、信號(hào)采集、電源管理、通信管理等主要功能，以微處理器為控制核心，與藍(lán)牙通信模塊、CAN總線通信模塊、線陣CCD采集模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、RTC時(shí)鐘模塊、溫濕度傳感器、電源管理模塊等共同組成，如圖2所示。

圖2 CCD采集通信板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of CCD acquisition andcommunication board

微處理器芯片選用的是32位的STM32F407VET6，為采集裝置提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的響應(yīng)中斷的能力[6]，同時(shí)具有成本低，引腳的數(shù)目少、系統(tǒng)的功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

本文沒(méi)有從基礎(chǔ)的CCD器件進(jìn)行研發(fā)，而是選擇線陣CCD模塊，輸出2 596個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓，通過(guò)編寫(xiě)程序去控制使能及時(shí)序。微處理器通過(guò)引腳的時(shí)序、電平來(lái)控制線陣CCD采集模塊的采集，采集的是一連串?dāng)?shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)代表每個(gè)像素點(diǎn)的受光程度，引張線會(huì)遮擋一部分平行光，有一部分像素點(diǎn)的受光強(qiáng)度程度較弱，對(duì)應(yīng)的采集值也較小，將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及算法處理后，可定位引張線的位置，當(dāng)引張線相對(duì)于引張線儀水平移動(dòng)時(shí)，采集的一連串?dāng)?shù)據(jù)也會(huì)變化，通過(guò)數(shù)據(jù)變化的換算，可計(jì)算出引張線相對(duì)于引張線儀水平移動(dòng)的距離。

微處理器通過(guò)與藍(lán)牙通信模塊連接，可與智能終端(例如手機(jī)或平板電腦)通信，一方面通過(guò)APP軟件現(xiàn)場(chǎng)配置引張線儀的通信參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等，另一方面，可以通過(guò)APP軟件采集引張線儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及查看歷史數(shù)據(jù)。

微處理器通過(guò)與CAN總線通信模塊的交互，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，CAN總線通信模塊具有兩組CAN總線通信通信接口，用于通信組網(wǎng)時(shí)級(jí)聯(lián)。

Flash存儲(chǔ)模塊通過(guò)串行外圍設(shè)備接口(Serial Peripheral Interface，SPI)總線與微處理器連接，微處理器將采集的傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到失電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失的Flash存儲(chǔ)模塊，手機(jī)APP及遠(yuǎn)程軟件都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。微處理器將引張線儀的設(shè)備信息、通信地址、配置參數(shù)等信息也存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)模塊，便于不同的通信設(shè)備連接時(shí)，可隨時(shí)讀取和操作。

RTC時(shí)鐘模塊通過(guò)IO口與微處理器連接，為引張線儀提供精準(zhǔn)的時(shí)間，并提供備用電源，也就是紐扣電池，防止設(shè)備掉電時(shí)RTC時(shí)鐘模塊停止工作。

溫濕度傳感器設(shè)于設(shè)備箱體內(nèi)，通過(guò)SPI總線與微處理器連接，采集設(shè)備箱體內(nèi)的溫度和濕度信息，透鏡板中的菲涅爾透鏡如果在高濕環(huán)境下容易起霧，影響測(cè)量精度，因此透鏡板上設(shè)置有加熱電阻，微處理器在溫濕度傳感器檢測(cè)設(shè)備箱體內(nèi)溫度和濕度信息達(dá)到閾值時(shí)，啟動(dòng)加熱電阻對(duì)透鏡板進(jìn)行加熱，以滿足菲涅爾透鏡正常工作。

3.2 點(diǎn)光源板設(shè)計(jì)

點(diǎn)光源板的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于點(diǎn)光源的選取，有兩個(gè)因素需要考慮，即光強(qiáng)度和照射范圍。LED光過(guò)強(qiáng)時(shí)，CCD模塊會(huì)曝光，采集不到數(shù)據(jù)，或者出現(xiàn)陰影面幾乎沒(méi)有的情況；LED光不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊采集數(shù)據(jù)都偏低的情況。LED光不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大。LED照射范圍不足時(shí)，將導(dǎo)致CCD模塊邊界位置采集不到可靠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)跳動(dòng)大。經(jīng)過(guò)十幾種點(diǎn)電源的測(cè)試與對(duì)比，選取了一款較穩(wěn)定的LED燈，由于同批次的LCD存在差異，需要通過(guò)滑動(dòng)電阻器調(diào)節(jié)光強(qiáng)度，確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用的微處理器芯片STM32F407VET6使用C語(yǔ)言進(jìn)行嵌入式編程。由于引張線儀不需要一直保持采集狀態(tài)，本文的設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)定的采集時(shí)間及通訊指令進(jìn)行采集觸發(fā)，從而使能線陣CCD采集模塊，微處理器輸出時(shí)序和電平對(duì)線陣CCD采集模塊進(jìn)行控制。按照模塊的時(shí)序要求，線陣CCD采集模塊會(huì)輸出固定時(shí)間長(zhǎng)度且一定范圍內(nèi)的電壓，微處理器通過(guò)內(nèi)置的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)對(duì)電壓按時(shí)序進(jìn)行采集，每個(gè)時(shí)鐘輸出的電壓對(duì)應(yīng)的是線陣CCD每個(gè)像素點(diǎn)的感光值，通過(guò)對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷被遮光的位置，從而定位引張線的位移。

微處理器在上電時(shí)會(huì)進(jìn)行各個(gè)功能的初始化處理，具體的主程序流程如圖3所示，在循環(huán)程序中讀取通信指令的標(biāo)志位及設(shè)定采集時(shí)間到的標(biāo)志位；讀取到通信指令的標(biāo)志位時(shí)，會(huì)按照通信指令進(jìn)行相關(guān)指令的操作；讀取到設(shè)定采集時(shí)間標(biāo)志位時(shí)，會(huì)進(jìn)行使能線陣CCD采集模塊，采集當(dāng)前的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后按自定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 主程序流程Fig.3 Flow chart of main program

對(duì)線陣CCD采集模塊的控制及采集數(shù)據(jù)的處理是微處理器的核心部分，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析、異常數(shù)據(jù)過(guò)濾、閾值確定、陰影數(shù)據(jù)選定、范圍計(jì)算等步驟，從而確定引張線的位置，具體處理流程如圖4所示。

圖4 線陣CCD采集及數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Flow chart of linear CCD acquisition anddata processing

5 組網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

在兩固定基準(zhǔn)點(diǎn)之間拉緊的一條引張線，需要安裝多個(gè)引張線儀在建筑物沿線的各測(cè)點(diǎn)處，用于測(cè)量各測(cè)點(diǎn)在垂直該引張線方向上的水平位移距離。各引張線儀運(yùn)用CAN總線連接，如圖5所示，每臺(tái)儀器均有一個(gè)獨(dú)立的物理地址，可通過(guò)CAN總線組網(wǎng)使用，在組網(wǎng)末端通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的模塊接入軟件系統(tǒng)，組網(wǎng)時(shí)利用引張線儀的CAN總線通信模塊，通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式連接。

圖5 引張線儀組網(wǎng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of communication networkof wire alignment instrument

CAN總線通信模塊采用TJA1050T芯片，TJA1050 是介于CAN控制器和物理總線之間符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，最高速率可達(dá)1 Mbit/s[7]，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有引腳保護(hù)，有效防止瞬態(tài)干擾[8]。在本文的設(shè)計(jì)中，將此芯片作為物理層，提供差動(dòng)發(fā)送和接收，根據(jù)引張線儀的參數(shù)和采集數(shù)據(jù)特點(diǎn)，自定義通信協(xié)議，使用微處理器內(nèi)置的CAN控制器進(jìn)行通信控制。

圖6 手機(jī)APP設(shè)備配置Fig.6 Device configurationon mobile APP

6 手機(jī)APP配置及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

6.1 手機(jī)APP配置

引張線儀可使用手機(jī)APP和云平臺(tái)兩種配置方式，APP的方式能查驗(yàn)安裝的儀器是否正常運(yùn)行的，若遠(yuǎn)程系統(tǒng)沒(méi)有及時(shí)連接上儀器時(shí)，可更快地確定問(wèn)題所在。將引張線儀安裝在現(xiàn)場(chǎng)并上電后，通過(guò)手機(jī)APP來(lái)進(jìn)行參數(shù)配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取及歷史數(shù)據(jù)查看。通過(guò)設(shè)計(jì)的手機(jī)APP軟件搜索附近的引張線儀，通常在距離采集單元10 m的范圍內(nèi)借助手機(jī)藍(lán)牙，搜尋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行連接，連接后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置選項(xiàng)包括設(shè)備類型、通信方式、采集模式、間隔時(shí)長(zhǎng)、線的外徑、設(shè)備對(duì)時(shí)、數(shù)據(jù)管理選項(xiàng)等，如圖6所示。

引張線儀連接成功后，不僅可讀取和設(shè)置儀器基本信息，還可讀取儀器已儲(chǔ)存的歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖7所示，讀取的歷史數(shù)據(jù)，并展示數(shù)據(jù)變化曲線。圖8為讀取當(dāng)前的引張線位移數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，及儀器當(dāng)前的溫度和濕度等環(huán)境量參數(shù)，圖中顯示的“狀態(tài)：成功”表示讀取數(shù)據(jù)正常；當(dāng)讀取數(shù)據(jù)不正常，會(huì)顯示具體的錯(cuò)誤類型，例如無(wú)陰影面積、儀器周圍光線太強(qiáng)等。

圖7 手機(jī)APP歷史數(shù)據(jù)查看Fig.7 Historical dataviewing on mobile APP圖8 手機(jī)APP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取Fig.8 Real-time datareading on mobile APP

6.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前引張線儀已經(jīng)在湖南江埡水電站安裝并使用，已安裝的引張線儀通過(guò)通信轉(zhuǎn)換模塊后，與云平臺(tái)系統(tǒng)建立連接，在云平臺(tái)中添加上引張線儀的編號(hào)信息，就可以遠(yuǎn)程控制儀器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，生成一段時(shí)間內(nèi)每日測(cè)值的位移變化量，可以直觀地顯示變化情況，時(shí)間范圍可根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求進(jìn)行選擇。

引張線儀構(gòu)建的自動(dòng)化采集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)查看大壩的變形情況，為及時(shí)了解大壩運(yùn)行形態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)[9]，評(píng)估工程的安全狀況提供了可靠依據(jù)，具有較好的應(yīng)用前景。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文所研制的引張線儀采用精密線陣CCD傳感器及數(shù)字電路檢測(cè)，采集精度高，無(wú)電學(xué)漂移，實(shí)現(xiàn)了引張線的水平位移的自動(dòng)測(cè)量，并具有故障診斷功能；運(yùn)用藍(lán)牙通信與智能手機(jī)APP，解決了現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)配置、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取的問(wèn)題；運(yùn)用微處理器和CAN總線的通信方式，確保組網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃裕鉀Q了傳統(tǒng)通信方式不穩(wěn)定的問(wèn)題，具有可靠性高、智能化程度高、無(wú)人值守的特點(diǎn)；儀器具有防潮外殼及驅(qū)潮措施，適應(yīng)水電站等潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)工作。

引張線儀是大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主要組成部分，為保障大壩發(fā)安全運(yùn)行提供有效的技術(shù)支撐。