¿Diseño de un sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet?
1. Descripción general de los sistemas de monitoreo del estado del puente basados en Ethernet
La tecnología de monitoreo del estado del puente consiste en instalar algunos dispositivos de detección en partes clave del cuerpo del puente para monitorear la estructura recopilada por este monitoreo. puntos en tiempo real. Los parámetros cambian durante la operación del puente. A través del análisis y procesamiento de estos parámetros estructurales, el estado de uso seguro del puente se evalúa de manera integral. Por lo tanto, el sistema de monitoreo del estado del puente debe incluir básicamente las siguientes funciones:
(1) Recopilación y procesamiento de varias señales de sensores;
(2) Transmitir los datos recopilados a la computadora host. para la Unidad de control;
(3) Monitoreo, análisis y procesamiento de señales en tiempo real desde la computadora central;
(4) Preservación y referencia de materiales históricos.
Con el desarrollo de la tecnología de las comunicaciones, la tecnología de redes se ha aplicado gradualmente a muchos sistemas de monitoreo de puentes a gran escala en el país y en el extranjero. Al conectar el monitor al controlador central a través de Ethernet, se puede lograr la transmisión remota y el intercambio de datos recopilados, lo que permite el monitoreo en tiempo real de los parámetros estructurales del puente 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 el sistema de monitoreo de puentes recopila y procesa una gran cantidad de datos y tiene altos requisitos en tiempo real, es difícil que un sistema integrado implementado con un microcontrolador cumpla con los requisitos. El diseño de la placa base del monitor en este diseño aprovecha al máximo las poderosas capacidades de procesamiento de datos de DSP y las funciones lógicas secuenciales de FPGA, que pueden cumplir con los requisitos del sistema de gran volumen de datos y monitoreo en tiempo real.
La computadora de control central puede mostrar todos los indicadores de rendimiento monitoreados actualmente en tiempo real y también puede analizar si el puente se encuentra en un estado seguro para su uso. Cuando el puente se daña en un accidente o se degrada el rendimiento de seguridad, se puede activar una alarma de seguridad para evitar malos hábitos graves y accidentes de seguridad.
2. Diseño de software de sistema de monitoreo del estado del puente basado en Ethernet.
2.1 Análisis de requisitos de diseño de software
El monitor in situ transmite las señales recopiladas a la computadora host a través de Ethernet y muestra, guarda y analiza la información de datos recopilados en tiempo real en el computadora host, que no solo aprovecha al máximo la capacidad del DSP para recopilar y procesar datos a alta velocidad en el sitio, sino que también aprovecha al máximo las ventajas de la computadora 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 operativo y el muestreo del sistema. Configuración de tiempo;
(2) Configure la frecuencia de muestreo, amplificación, muestreo y tiempo de almacenamiento de los ocho canales del monitor, y seleccione el tipo de sensor correspondiente a cada canal;
( 3) Visualización dinámica en tiempo real de curvas de datos. Los datos se pueden mostrar tanto en formato de datos sin procesar como en formato FFT, y se puede ajustar el tiempo de muestreo y establecer el tamaño de un cuadro de datos recopilados;
(4) La duración y el tiempo de los ocho Los canales de datos recopilados se pueden mostrar en tiempo real en la computadora de control central Arriba;
(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 detecte fallas y daños de manera oportuna;
(6) Los datos recopilados pueden ser analizados en tiempo real.
2.2 Diseño general y proceso del sistema de software
El diseño del software tiene dos partes principales: una es la unidad de control central que envía parámetros de comando al monitor y la otra es la central. unidad de control que recibe el monitor y envía de vuelta la información de datos recopilada. Una vez que la PC recibe la información de los datos recopilados, debe dibujar un gráfico de datos de acuerdo con los requisitos del sistema para facilitar el análisis de los datos recopilados. Al mismo tiempo, para verificar la información de los datos históricos, los datos recopilados deben guardarse en un archivo Excel y 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: uintsend cmdtodsp(lpvoid iparam), completa el envío de los parámetros del comando establecidos en el programa principal a dsp;
Subproceso 2: uint, datos recursivos (lpvoid iparam), completa la recepción de la información de datos recopilados;
Subproceso 3: uint dibuja curva (lpvoid iparam), dibuja los datos recopilados en una imagen de curva;< /p >
Subproceso 4: uint store to Excel (lpvoid iparam), guarde los datos recopilados en un archivo de Excel para facilitar la referencia y el análisis de datos históricos.
Entre ellos, dado que la PC recibe pasivamente los datos recopilados por el monitor, para garantizar que no haya pérdida de 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 modo que 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 del dispositivo central de la placa base de la pantalla. Después de recibir el comando de parámetro, el DSP envía datos a la PC de acuerdo con los requisitos del comando de parámetro. El hilo de recepción de datos comienza a recibir datos después de escuchar que el DSP comienza a enviar los datos recopilados. Dado que el subproceso Recie-veData tiene una prioridad más alta que el subproceso SendCMDToDSP, los parámetros del comando se envían al recibir datos. El subproceso SendCMDToDSP debe esperar a que el subproceso de recepción de datos reciba los datos antes de enviar los parámetros del comando, de modo que los parámetros del comando. no se sobrescribirá. Abra un búfer en el área de almacenamiento de la PC para recibir datos y recibir datos comenzará a recibir datos. Cuando el búfer de memoria está lleno, el subproceso ReciveData PostThreadMessage envía un mensaje al subproceso DrawCurve, pasando el puntero y el tamaño del búfer como parámetros del mensaje, luego libera el búfer y espera recibir datos; después de recibir el mensaje, el subproceso DrawCurve asigna otra memoria; para almacenar los datos después de dibujar la imagen de la curva de los datos recopilados, el hilo DrawCurve PostThreadMessage envía un mensaje al hilo StoreToExcel, pasando el nuevo puntero de memoria y el tamaño como parámetros del mensaje, luego libera el búfer de datos y espera el mensaje; el hilo StoreToExcel recibe el mensaje, también asignará otra memoria A para contener los datos, guardará los datos recopilados en un archivo de Excel, luego liberará el búfer y continuará esperando mensajes.
2.3 Diseño del módulo de comunicación Ethernet
La comunicación de datos entre la PC y el DSP adopta la comunicación Ethernet. La computadora host envía los parámetros de comando establecidos al DSP, y el DSP recopila datos de acuerdo con los parámetros de comando recibidos y luego envía los datos recopilados a la computadora host. La parte de comunicación Ethernet utiliza la programación de sockets de Windows Sockets, y los sockets de Windows Sockets proporcionan muchas funciones.
Usando estas funciones, los programadores pueden implementar la comunicación Ethernet entre el DSP y la PC.
2.3.1 Enviar módulo de comando
Cuando la computadora host envía parámetros de comando como la dirección IP y la dirección MAC a la pantalla, la pantalla actúa como servidor y la computadora host actúa como el cliente. Cree un socket de Windows Sockets en el servidor y el cliente respectivamente. Después de encender el sistema, el monitor estará en estado de escucha. Al monitorear una solicitud de conexión desde una PC, el servidor de monitoreo creará una nueva stcpctive de sockets de Windows para establecer una conexión con la PC. Una vez que el monitor está conectado a la PC, la PC puede enviar parámetros de comando al monitor. En este proceso, la PC envía 100 B parámetros de comando al monitor cada vez, de los cuales el primer byte es una bandera para distinguir diferentes parámetros de comando. Después de recibir los parámetros del comando, el monitor usa este indicador para configurar varios parámetros. De esta manera, la frecuencia de muestreo, el tiempo de almacenamiento, PGA, el umbral de muestreo, la habilitación de FFT, la dirección IP, la dirección MAC, el modo de ejecución y la hora del sistema de cada canal del monitor se configuran en secuencia.
Módulo de recepción de datos
Cuando el monitor envía los datos recopilados a la computadora host a través de Ethernet, la computadora host actúa como servidor y el monitor actúa como cliente. De manera similar, cree un socket de Windows en el servidor de la PC y monitorice el cliente respectivamente. Cuando la aplicación en la PC comience a ejecutarse, la PC estará en estado de escucha. Cuando se monitorea un terminal de monitor para detectar una solicitud de conexión, se crea una nueva stcpctive de sockets de Windows para establecer la conexión con el monitor. Después de conectar la PC al 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 representa el resultado del muestreo del objeto de datos transmitido. Para recibir la información de datos enviada por el monitor, es necesario abrir un búfer con una capacidad de 16 384 × 4 en el búfer de memoria. Cada monitor tiene 8 canales, por lo que se abren 8 búferes para almacenar los datos recibidos por los 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 adquisición y prueba de datos consiste en utilizar la señal de onda triangular generada por el generador de forma de onda para simular la señal real del sensor de campo en un entorno de laboratorio. Configure el número de canal, el tiempo de muestreo, la frecuencia de muestreo, el factor de amplificación y otros parámetros de comando. Cuando ejecute el programa, podrá ver la forma de onda triangular como se muestra en la Figura 5. La abscisa representa la cantidad de datos recopilados dentro del tiempo de muestreo establecido, es decir, se recopilan 512 datos en 1 segundo, y 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, como se muestra en la Figura 5. Los datos recopilados no tienen puntos de fuga y tienen formas de onda completas, lo que satisface las necesidades básicas del 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 y recopiló las señales de varios sensores en el sistema de monitoreo del estado del puente. Al mismo tiempo, las señales de datos recopiladas se transmiten a la PC a través de Ethernet, la forma de onda de salida de las señales recopiladas se muestra en tiempo real y los datos recopilados se guardan en un archivo Excel para referencia y análisis históricos. El diseño del software tiene una interfaz amigable y puede completar tareas generales de monitoreo del estado del puente.
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