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结构状态监测的通用型小型化系统研制与开发

2020-12-03阅读(137)

结构状态监测的通用型小型化系统研制与开发

论文摘要

桥梁健康监测系统对于保证桥梁结构的安全性、适用性和耐久性具有重要意义。桥梁健康监测系统主要包含桥梁现场监测系统和远程评估系统两个部分。其中,桥梁现场监测系统主要功能是实现对桥梁的多种结构状态参数的采集与存储,并能够和远程上位机通信。目前,现场监测系统存在着功耗大、稳定性差、开发周期长、成本高、推广性差等问题,因此,开发具有一定通用性的小型化桥梁现场监测系统具有重要的经济意义和社会意义。本文首先阐述了桥梁现场监测系统的发展现状和存在的问题,深入探讨了嵌入式以太网技术应用到桥梁远程监测中的重要性和必要性。在此基础上提出了基于嵌入式以太网技术的具有一定通用性的小型化桥梁现场监测系统方案,分析了其功能需求和通用性的具体涵义,并就其具体实现展开了讨论。硬件环境是以C8051F120为核心,外围集成了时钟系统、数据存储系统、网络通信硬件等。整个系统尺寸小、功耗低、便于安装和调试,能很好的适应桥梁现场监测环境。软件系统采用以实时操作系统μC/OS-Ⅱ为核心的多任务设计,既能满足一定的通用性需求,也能提高系统的实时性和稳定性。由于μC/OS-Ⅱ内核没有集成网络通信功能,因此还实现了嵌入式TCP/IP协议栈μIP与μC/OS-Ⅱ平台的结合。文中重点阐述了μC/OS-Ⅱ的移植、网络通信的实现、系统的多任务设计与调度等。另外,利用模块化的开发思想,对系统应用功能进行了设计和开发,实现了桥梁监测中常用的一些监测功能,主要包括现场通信控制、时钟控制、存储空间管理、数据上传、定时采集、传感器自诊断等。其中,现场通信控制模块实现对现场485网络的控制,负责对各个通道的配置和数据采集;时钟控制模块主要实现系统的实时时钟;存储空间管理模块实现数据的存储、读取和存储系统复位;传感器自诊断模块运用时间序列分析方法实现了一种可靠的简便易行的传感器故障诊断方法,为系统维护和分析提供了方便。为了验证系统的有效性和稳定性,在实验室模拟桥梁现场环境对现场监测系统进行了长时间的调试运行,并对实验数据进行了简单分析。实验证明,系统设计合理有效,达到预期目的和要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 研究现状
  • 1.2.1 桥梁现场监测系统研究现状
  • 1.2.2 通用测控系统研究现状
  • 1.3 本文的研究目的、意义和内容
  • 1.3.1 研究目的及意义
  • 1.3.2 研究内容
  • 1.4 本章小结
  • 2 嵌入式以太网技术在桥梁监测中的应用
  • 2.1 嵌入式以太网技术简介
  • 2.1.1 嵌入式系统及其发展
  • 2.1.2 以太网技术及其发展
  • 2.1.3 嵌入式以太网技术的概念
  • 2.2 嵌入式以太网技术应用于桥梁监测的必要性和重要性
  • 2.2.1 应用嵌入式以太网技术的必要性
  • 2.2.2 应用嵌入式以太网技术的重要性
  • 2.3 基于嵌入式以太网的桥梁监测系统
  • 2.3.1 实现方案
  • 2.3.2 关键技术分析
  • 2.3.3 现场监测系统性能要求
  • 2.4 本章小结
  • 3 现场监测系统总体设计及硬件集成
  • 3.1 现场监测系统实现方案讨论
  • 3.2 现场监测系统总体设计
  • 3.2.1 系统结构
  • 3.2.2 引入嵌入式实时操作系统的重要意义
  • 3.2.3 系统功能设计
  • 3.3 现场监测系统硬件集成
  • 3.3.1 核心模块
  • 3.3.2 现场监测网络
  • 3.3.3 主要外围设备
  • 3.4 本章小结
  • 4 现场监测系统软件实现
  • 4.1 嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ
  • 4.1.1 μC/OS-Ⅱ的特点
  • 4.1.2 μC/OS-Ⅱ的运行原理
  • 4.1.3 开发工具和运行环境
  • 4.1.4 移植条件
  • 4.2 μC/OS-Ⅱ内核的移植
  • 4.2.1 移植μC/OS-Ⅱ到C8051F120 上
  • 4.2.2 验证移植的正确性
  • 4.2.3 系统移植中应注意的问题
  • 4.3 μC/OS-Ⅱ上TCP/IP 协议栈的实现
  • 4.3.1 嵌入式TCP/IP 协议栈
  • 4.3.2 μIP 协议栈
  • 4.3.3 μC/OS-Ⅱ与μIP 协议栈的结合
  • 4.3.4 网络设备驱动
  • 4.4 μC/OS-Ⅱ上Web Server 的实现
  • 4.4.1 HTTP 协议
  • 4.4.2 公共网关接口CGI
  • 4.4.3 Web Server 实现
  • 4.5 系统应用程序任务设计
  • 4.5.1 系统应用程序任务划分
  • 4.5.2 系统应用程序任务调度
  • 4.5.3 任务设计与调试中应注意的问题
  • 4.6 主要功能模块的实现
  • 4.6.1 现场通信控制模块
  • 4.6.2 时钟模块
  • 4.6.3 存储空间管理模块
  • 4.6.4 数据上传模块
  • 4.6.5 定时采集模块
  • 4.6.6 传感器自诊断模块
  • 4.6.7 其他应用模块
  • 4.7 现场监测系统远程控制接口设计
  • 4.8 本章小结
  • 5 实验
  • 5.1 实验系统搭建
  • 5.2 系统功能及稳定性测试
  • 5.3 本章总结
  • 6 全文总结
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录

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