¿Diseño de un sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet?

En los últimos años, con el creciente número de accidentes de seguridad de puentes, la tecnología de monitoreo de la salud de los puentes se ha convertido gradualmente en un punto de investigación en los círculos académicos y de ingeniería. Al mismo tiempo, también se han convertido en muchas herramientas para el monitoreo de la salud de los puentes. software del sistema desarrollado. En la actualidad, existen dos formas principales de desarrollar software de sistema de monitoreo del estado del puente: una es utilizar herramientas de programación en lenguajes de alto nivel, principalmente VB, VC y Delphi, la otra es utilizar el lenguaje de programación gráfica profesional Lab-VIEW; El uso de programación en lenguaje de alto nivel no está limitado por las herramientas de desarrollo. Puede desarrollar programas de interfaz relativamente amigables y hermosos de acuerdo con el diseño del desarrollador, pero tiene requisitos más altos para el personal de software que usa LabVIEW para el desarrollo secundario. se puede hacer en poco tiempo. Se ha desarrollado software más práctico, pero el desarrollo de software se ve fácilmente limitado por las herramientas de desarrollo. Ambos métodos de desarrollo tienen sus pros y sus contras y deben elegirse en función de la situación real. La programación de software en este artículo utiliza el lenguaje de programación visual orientado a objetos VC++6.0, haciendo pleno uso de la biblioteca de clases MFC que viene con VC++ para desarrollar un software de sistema de monitoreo del estado del puente con una interfaz amigable y hermosa.

1. Descripción general del sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet

La tecnología de monitoreo del estado del puente consiste en instalar algunos dispositivos sensores en partes clave del cuerpo del puente y monitorear los datos recopilados en estos monitoreos. puntos en línea en tiempo real. Los parámetros estructurales cambian durante la operación del puente. A través del análisis y procesamiento de estos parámetros estructurales, el estado de servicio seguro del puente se evalúa de manera integral. Por lo tanto, el sistema de monitoreo del estado del puente debería incluir básicamente las siguientes funciones:

(1) Recopilación y procesamiento de varias señales de sensores;

(2) Transmisión de los datos recopilados al nivel superior Unidad de control por computadora;

(3) Monitoreo, análisis y procesamiento de señales en tiempo real desde la computadora host;

(4) Almacenamiento y revisión de datos históricos.

Con el desarrollo de la tecnología de las comunicaciones, la tecnología de redes se está utilizando gradualmente en muchos sistemas de monitoreo de puentes a gran escala en el país y en el extranjero. Conectar el monitor a la computadora de control central a través de Ethernet puede realizar la transmisión remota y el intercambio de datos recopilados, de modo que los diversos parámetros estructurales del puente se puedan monitorear en línea en tiempo real en el centro de monitoreo.

La estructura del marco del sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet se muestra en la Figura 1. Entre ellos, el monitor completa principalmente la recopilación y transmisión de datos. Dado que la cantidad de datos recopilados y procesados ​​por el sistema de monitoreo del puente es muy grande y los requisitos en tiempo real son muy altos, el sistema integrado se implementa con una microcomputadora de un solo chip. Es difícil cumplir con los requisitos. La placa base del monitor diseñada esta vez aprovecha al máximo las poderosas capacidades de procesamiento de datos de DSP y las funciones lógicas secuenciales de FPGA, por lo que puede cumplir con los requisitos del sistema de gran volumen de datos y en tiempo real. escucha.

La computadora de control central muestra varios indicadores de rendimiento monitoreados actualmente en tiempo real y también puede analizar por sí mismo si el puente está en servicio seguro y puede proporcionar avisos cuando hay un daño repentino en el puente o una disminución. en el desempeño de seguridad Alertas de seguridad para evitar incidentes de seguridad graves.

2. Diseño de software del sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet

2.1 Análisis de requisitos de diseño de software

El monitor en sitio recogerá las señales a través de Ethernet. se transmite a la computadora host y la información de datos recopilada se muestra, guarda y analiza en tiempo real en la PC. No solo aprovecha al máximo la capacidad del DSP para recopilar y procesar datos a alta velocidad en el sitio. Aprovecha al máximo la capacidad del PC host para dibujar imágenes y guardar datos. Por lo tanto, un sistema completo de monitoreo del estado del puente debe completar las siguientes funciones en la parte de monitoreo central:

(1) La dirección IP de cada monitor, la dirección MAC, el puerto y otra información de la dirección de red, el modo de operación y la configuración de el tiempo de muestreo del sistema;

(2) Configuración de la frecuencia de muestreo, factor de amplificación, tiempo de almacenamiento de muestreo de los 8 canales del monitor y selección del tipo de sensor correspondiente para cada canal;

(3) Visualización dinámica en tiempo real de curvas de datos. Los datos se pueden mostrar en dos formatos: datos originales y FFT, y el tiempo de muestreo se puede ajustar para establecer la cantidad de datos recopilados en un cuadro;

(4) La longitud de los datos de ocho canales datos de recopilación, la hora recopilada se puede mostrar de forma sincrónica y en tiempo real en la máquina de control central;

(5) Alarma de exceso de límite. Cuando los datos recopilados son anormales y exceden el rango de datos normal, se puede enviar una alarma a la unidad de control central para facilitar que el personal encuentre fallas y daños de manera oportuna;

(6) Capaz de analizar el datos recopilados Realizar análisis en tiempo real.

2.2 Diseño general y proceso del sistema de software

Hay dos partes centrales principales del diseño del software: una es la unidad de control central que envía parámetros de comando al monitor y la. el otro es la unidad de control central. Recibe la información de datos recopilados enviada por el monitor. Después de que la PC recibe la información de los datos recopilados, también necesita dibujar un gráfico de curva de datos de acuerdo con los requisitos del sistema para facilitar el análisis de los datos recopilados. Al mismo tiempo, para revisar la información de los datos históricos, los datos recopilados también deben. guardarse en un archivo Excel. El diagrama de flujo se muestra en la Figura 2. Según el diseño general y el proceso de diseño del software, se utilizan cuatro subprocesos:

Subproceso 1: UINTSendCMDToDSP (LPVOID IParam), completa el envío de los parámetros de comando establecidos en el programa principal al DSP;

Subproceso 2: UINT, RecieveData (LPVOID IParam), completa la recepción de la información de datos recopilados;

Subproceso 3: UINTDrawCurve (LPVOID IParam), dibuja los datos recopilados en una imagen de curva;

Subproceso 4: UINT StoreToExcel (LPVOID IParam), guarda los datos recopilados en archivos de Excel para facilitar la revisión y el análisis de los datos históricos.

Entre ellos, dado que la PC recibe pasivamente los datos recopilados por el monitor, para garantizar que no se pierdan datos al recibirlos, la prioridad del hilo RecieveData debe establecerse en la más alta.

El propio Windows utiliza un mecanismo basado en mensajes. Cuando un hilo envía un mensaje, el sistema operativo primero recibe el mensaje y luego lo reenvía al hilo de destino. De esta forma, puede personalizar el mensaje y luego implementar un hilo para enviar un mensaje a otro hilo a través del sistema operativo.

Primero, el hilo SendCMDToDSP envía comandos de parámetros al DSP, el dispositivo central de la placa base del monitor. Después de recibir el comando de parámetros, el DSP envía datos a la PC de acuerdo con los requisitos del comando de parámetros. el hilo RecieveData monitorea que el DSP comienza a enviar los datos recopilados y comienza a recibir datos. Dado que el subproceso Recie-veData tiene una prioridad más alta que el subproceso SendCMDToDSP, envía parámetros de comando cuando recibe datos. El subproceso SendCMDToDSP debe esperar a que el subproceso RecieveData reciba los datos antes de poder comenzar a enviar parámetros de comando, para que los parámetros de comando. no se sobrescribirá. Abra un búfer en el área de memoria de la PC para recibir datos. RecieveData comienza a recibir datos. Cuando el búfer de memoria está lleno, el subproceso RecieveData PostThreadMessage envía un mensaje al subproceso DrawCurve, pasando el puntero y el tamaño del búfer como parámetros del mensaje y luego lo libera. .buffer y luego espera recibir datos; después de que el hilo DrawCurve recibe el mensaje, asigna otra memoria para guardar los datos. Después de dibujar la imagen de la curva de los datos recopilados, el hilo DrawCurve PostThreadMessage envía un mensaje al hilo StoreToExcel. el nuevo puntero de memoria y el tamaño como parámetros del mensaje lo pasan, luego liberan el búfer de datos y luego continúan esperando el mensaje después de que el hilo StoreToExcel obtiene el mensaje, y también asigna otra memoria para guardar los datos recopilados; datos al archivo de Excel, luego libera el búfer y continúa esperando el mensaje.

2.3 Diseño del módulo de comunicación Ethernet

La comunicación de datos entre la PC y el DSP utiliza comunicación Ethernet. La PC host envía los parámetros de comando establecidos al DSP y el DSP recopila datos de acuerdo con el. parámetros de comando recibidos y luego enviar los datos recopilados a la PC. La parte de comunicación Ethernet utiliza programación de socket. El socket proporciona muchas funciones. Usando estas funciones, los programadores pueden realizar la comunicación Ethernet entre el DSP y la PC host.

2.3.1 Enviar módulo de comando

Cuando la PC host envía parámetros de comando como la dirección IP y la dirección MAC al monitor, el monitor actúa como servidor y la PC actúa como servidor. cliente.

Cree un socket en el servidor y el cliente respectivamente. Luego, después de encender el sistema, el monitor está en estado de escucha. Cuando se detecta una solicitud de conexión desde la PC, el servidor del monitor crea una nueva estrategia de socket para comunicarse con la PC. establece una conexión Una vez que el monitor establece una conexión con la PC, la PC puede enviar parámetros de comando al monitor. Durante este proceso, la PC envía 100 B de parámetros de comando al monitor cada vez. El primer byte es un indicador que distingue diferentes parámetros de comando. Después de que el monitor recibe los parámetros de comando, utiliza este indicador para configurar varios parámetros. De esta manera, configure la frecuencia de muestreo, el tiempo de almacenamiento, PGA, el umbral de muestreo, la habilitación de FFT de cada canal del monitor, así como la dirección IP, la dirección MAC, el modo de ejecución y la hora del sistema de monitorización del propio monitor. Figura 3.

2.3.2 Módulo de recepción de datos

Cuando el monitor envía los datos recopilados a la PC host a través de Ethernet, la PC actúa como servidor y el monitor actúa como cliente. De manera similar, se crea un socket en el lado del servidor de la PC y en el lado del cliente del monitor. Cuando el programa de aplicación en la PC comienza a ejecutarse, la PC está en estado de escucha. Cuando detecta una solicitud de conexión desde el lado del monitor, crea una nueva. socket stcptive para establecer una conexión con el monitor. Cuando la PC establece una conexión con el monitor, el monitor envía el tiempo de muestreo, el número de canal, la longitud de los datos y los datos de muestreo a la PC en secuencia. El tiempo de muestreo indica el resultado del muestreo del objeto de datos enviado en ese momento. Para recibir la información de datos enviada por el monitor, es necesario abrir un buffer con una capacidad de 16 384×4 en el buffer de memoria. Cada monitor tiene 8 canales, por lo que se abren 8 buffers para almacenar los datos recibidos por el monitor. 8 canales, el proceso se muestra en la Figura 4.

3 Prueba de simulación

El desarrollo de la tecnología de monitoreo del estado del puente aún se encuentra en la etapa de investigación de laboratorio. Por lo tanto, la prueba de recopilación de datos se genera utilizando un generador de forma de onda en un entorno de laboratorio. Señal de onda triangular para simular la señal real del sensor de campo. Después de configurar los parámetros del comando, como el número de canal, el tiempo de muestreo, la frecuencia de muestreo y el factor de amplificación, ejecute el programa y podrá ver la forma de onda triangular como se muestra en la Figura 5. Entre ellos, la abscisa representa la cantidad de datos recopilados dentro del tiempo de muestreo establecido, es decir, 512 datos recopilados en 1 s. La ordenada representa la amplitud de la señal recopilada. Dado que el voltaje de la señal del sensor es -2,5 ~ 2,5 V y la resolución de muestreo del ADC es 24 b, se elimina el bit 24 y el valor medio es 222, que es 0 V. se muestra en la Figura 5. A los datos recopilados no les faltan puntos y tienen formas de onda completas, por lo que satisfacen las necesidades básicas de recopilación de datos para el sistema de monitoreo del estado del puente.

4. Conclusión

Este artículo completó el diseño del software del sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet, realizó la recopilación de varias señales de sensores en el sistema de monitoreo del estado del puente y en el Al mismo tiempo recopiladas Las señales de datos se transmiten a la PC a través de Ethernet, la forma de onda de salida de cada señal recopilada se muestra en tiempo real y los datos recopilados se guardan en un archivo Excel para una fácil revisión y análisis histórico. El software está diseñado con una interfaz amigable y puede completar tareas generales de monitoreo del estado del puente.

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