基于線陣CCD和CAN總線通信的引張線儀的設(shè)計與實現(xiàn)

周芳芳，毛索穎，黃躍文，胡 蕾

(1.長江科學院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010；2.長江科學院 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. 長江科學院 國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期觀測，引張線法是利用兩固定基準點之間拉緊的不銹鋼絲作為基準線(引張線)，利用此直線來測量建筑物各測點在垂直該基準線方向上的水平位移的方法[1]，在測量時需要在一條引張線的范圍內(nèi)安裝多個引張線儀[2]。目前大部分引張線儀都采用RS485的通信方式，將多個引張線儀通過RS485的方式連接[3]，容易出現(xiàn)通信不穩(wěn)定、易出錯等情況，且現(xiàn)場需要通過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)議編寫簡單的通信指令才能讀取采集數(shù)據(jù)，這對現(xiàn)場的安裝及調(diào)試造成了很大的不便。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文設(shè)計了一種采用線陣電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)非接觸式自動化測量的引張線儀，通過采用控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線的通信方式，增強了引張線聯(lián)網(wǎng)通信的可靠性，運用藍牙通信及手機APP，方便現(xiàn)場的安裝及調(diào)試。

線陣CCD 屬于半導體光電器件，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，測量結(jié)果重復性好。隨著 CCD 應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展和進步，CCD 的應(yīng)用范圍越來越廣泛，如幾何尺寸測量、光譜檢測分析、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)計的引張線儀自帶微處理器及存儲器，可自動采集及存儲，具有藍牙通信功能，可連接手機APP，實現(xiàn)現(xiàn)場配置、實時采集、歷史數(shù)據(jù)查看等功能，采用CAN總線通訊接口，通過通訊轉(zhuǎn)換設(shè)備可直接接入軟件系統(tǒng)，儀器具有測量精度高、無電學漂移、性能穩(wěn)定等技術(shù)特點。引張線儀利用投影原理，采用光源通過透鏡后形成平行光的照射方式，將引張線在CCD器件上產(chǎn)生一個投影[3]，CCD器件不同像素點感光度的差異，對應(yīng)的輸出值將不同，CCD器件將每個像素點的光強按照相應(yīng)邏輯時序以電壓形式輸出，輸出信號經(jīng)過各種數(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點箱內(nèi)，測點箱不僅內(nèi)置浮托裝置及人工讀數(shù)標尺，同時兼作引張線儀的保護箱。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，點光源板的光源位于透鏡板中菲涅爾透鏡的焦點處，點光源板的光源發(fā)出的光線通過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影響線陣CCD采集模塊上不同像素點的采集值，根據(jù)采集值的不同,判斷引張線位于哪些像素點處，從而定位引張線的水平位置。

3 電路設(shè)計

3.1 CCD采集通信板設(shè)計

CCD采集通信板實現(xiàn)引張線儀的控制、信號采集、電源管理、通信管理等主要功能，以微處理器為控制核心，與藍牙通信模塊、CAN總線通信模塊、線陣CCD采集模塊、Flash存儲模塊、RTC時鐘模塊、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算性能和先進的響應(yīng)中斷的能力[6]，同時具有成本低，引腳的數(shù)目少、系統(tǒng)的功耗低的優(yōu)點。

本文沒有從基礎(chǔ)的CCD器件進行研發(fā)，而是選擇線陣CCD模塊，輸出2 596個像素點對應(yīng)的電壓，通過編寫程序去控制使能及時序。微處理器通過引腳的時序、電平來控制線陣CCD采集模塊的采集，采集的是一連串數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)代表每個像素點的受光程度，引張線會遮擋一部分平行光，有一部分像素點的受光強度程度較弱，對應(yīng)的采集值也較小，將數(shù)據(jù)進行濾波及算法處理后，可定位引張線的位置，當引張線相對于引張線儀水平移動時，采集的一連串數(shù)據(jù)也會變化，通過數(shù)據(jù)變化的換算，可計算出引張線相對于引張線儀水平移動的距離。

微處理器通過與藍牙通信模塊連接，可與智能終端(例如手機或平板電腦)通信，一方面通過APP軟件現(xiàn)場配置引張線儀的通信參數(shù)、運行參數(shù)等，另一方面，可以通過APP軟件采集引張線儀的實時數(shù)據(jù)及查看歷史數(shù)據(jù)。

微處理器通過與CAN總線通信模塊的交互，將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線的方式進行遠程傳輸，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)時級聯(lián)。

Flash存儲模塊通過串行外圍設(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)存儲到失電后數(shù)據(jù)不會丟失的Flash存儲模塊，手機APP及遠程軟件都可以進行數(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)等信息也存儲到Flash存儲模塊，便于不同的通信設(shè)備連接時，可隨時讀取和操作。

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

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設(shè)備箱體內(nèi)溫度和濕度信息達到閾值時，啟動加熱電阻對透鏡板進行加熱，以滿足菲涅爾透鏡正常工作。

3.2 點光源板設(shè)計

點光源板的設(shè)計關(guān)鍵在于點光源的選取，有兩個因素需要考慮，即光強度和照射范圍。LED光過強時，CCD模塊會曝光，采集不到數(shù)據(jù)，或者出現(xiàn)陰影面幾乎沒有的情況；LED光不足時，會導致整個模塊采集數(shù)據(jù)都偏低的情況。LED光不穩(wěn)定時，會導致采集數(shù)據(jù)跳動較大。LED照射范圍不足時，將導致CCD模塊邊界位置采集不到可靠數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)跳動大。經(jīng)過十幾種點電源的測試與對比，選取了一款較穩(wěn)定的LED燈，由于同批次的LCD存在差異，需要通過滑動電阻器調(diào)節(jié)光強度，確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

4 嵌入式軟件設(shè)計

本文應(yīng)用的微處理器芯片STM32F407VET6使用C語言進行嵌入式編程。由于引張線儀不需要一直保持采集狀態(tài)，本文的設(shè)計是通過設(shè)定的采集時間及通訊指令進行采集觸發(fā)，從而使能線陣CCD采集模塊，微處理器輸出時序和電平對線陣CCD采集模塊進行控制。按照模塊的時序要求，線陣CCD采集模塊會輸出固定時間長度且一定范圍內(nèi)的電壓，微處理器通過內(nèi)置的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)對電壓按時序進行采集，每個時鐘輸出的電壓對應(yīng)的是線陣CCD每個像素點的感光值，通過對保存的數(shù)據(jù)進行解析，判斷被遮光的位置，從而定位引張線的位移。

微處理器在上電時會進行各個功能的初始化處理，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志位及設(shè)定采集時間到的標志位；讀取到通信指令的標志位時，會按照通信指令進行相關(guān)指令的操作；讀取到設(shè)定采集時間標志位時，會進行使能線陣CCD采集模塊，采集當前的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后按自定義的數(shù)據(jù)格式進行存儲。

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

對線陣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，通過對采集數(shù)據(jù)的分析、異常數(shù)據(jù)過濾、閾值確定、陰影數(shù)據(jù)選定、范圍計算等步驟，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

在兩固定基準點之間拉緊的一條引張線，需要安裝多個引張線儀在建筑物沿線的各測點處，用于測量各測點在垂直該引張線方向上的水平位移距離。各引張線儀運用CAN總線連接，如圖5所示，每臺儀器均有一個獨立的物理地址，可通過CAN總線組網(wǎng)使用，在組網(wǎng)末端通過CAN總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的模塊接入軟件系統(tǒng)，組網(wǎng)時利用引張線儀的CAN總線通信模塊，通過級聯(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標準的高速CAN收發(fā)器，最高速率可達1 Mbit/s[7]，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，具有引腳保護，有效防止瞬態(tài)干擾[8]。在本文的設(shè)計中，將此芯片作為物理層，提供差動發(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，自定義通信協(xié)議，使用微處理器內(nèi)置的CAN控制器進行通信控制。

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

6 手機APP配置及現(xiàn)場應(yīng)用

6.1 手機APP配置

引張線儀可使用手機APP和云平臺兩種配置方式，APP的方式能查驗安裝的儀器是否正常運行的，若遠程系統(tǒng)沒有及時連接上儀器時，可更快地確定問題所在。將引張線儀安裝在現(xiàn)場并上電后，通過手機APP來進行參數(shù)配置、實時數(shù)據(jù)讀取及歷史數(shù)據(jù)查看。通過設(shè)計的手機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)借助手機藍牙，搜尋現(xiàn)場設(shè)備進行連接，連接后進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置選項包括設(shè)備類型、通信方式、采集模式、間隔時長、線的外徑、設(shè)備對時、數(shù)據(jù)管理選項等，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，還可讀取儀器已儲存的歷史數(shù)據(jù)及實時數(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為讀取當前的引張線位移數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，及儀器當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；當讀取數(shù)據(jù)不正常，會顯示具體的錯誤類型，例如無陰影面積、儀器周圍光線太強等。

圖7 手機APP歷史數(shù)據(jù)查看Fig.7 Historical dataviewing on mobile APP圖8 手機APP實時數(shù)據(jù)讀取Fig.8 Real-time datareading on mobile APP

6.2 現(xiàn)場應(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通信轉(zhuǎn)換模塊后，與云平臺系統(tǒng)建立連接，在云平臺中添加上引張線儀的編號信息，就可以遠程控制儀器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，真正實現(xiàn)自動化管理，生成一段時間內(nèi)每日測值的位移變化量，可以直觀地顯示變化情況，時間范圍可根據(jù)數(shù)據(jù)分析要求進行選擇。

引張線儀構(gòu)建的自動化采集系統(tǒng)，可實時查看大壩的變形情況，為及時了解大壩運行形態(tài)、發(fā)展趨勢[9]，評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

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，采集精度高，無電學漂移，實現(xiàn)了引張線的水平位移的自動測量，并具有故障診斷功能；運用藍牙通信與智能手機APP，解決了現(xiàn)場參數(shù)配置、采集數(shù)據(jù)實時讀取的問題；運用微處理器和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)定的問題，具有可靠性高、智能化程度高、無人值守的特點；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)境下長期連續(xù)工作。

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