周芳芳，毛索颖，黄跃文

(1.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010； 2.长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010； 3.长江科学院 国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

随着堤坝、桥梁、建筑等工程监测技术的不断发展，功能简单、通道类型单一、自动化程度低的采集装置已不能满足工程监测的系统需求，传感器信号采集装置开始向多样化和智能化方向发展[1]。

当前已安装传感器信号采集装置的工程项目，现场人员仍然要对已埋设的传感器进行人工比测，为采集装置提供数据对比及数据补充[2]，但现有的采集装置大都不具有直接人工比测功能，现场人员需要经过繁琐的拆接线缆、手工记录等方式，存在效率低、易出错等问题。

本文设计的传感器自动采集装置具有2个独立运行的微处理器，均采用基于ARM内核的STM32F407VET6芯片[3]，第一微处理器集中控制传感器的信号采集、数据存储及数据传输，任意通道均可测量振弦式、差动电阻式、标准电压或电流、数字信号等类型的传感器。第二微处理器在人工比测模块中独立运用，支持读数仪数据接入、人工比测、数据实时比对及显示。结合微处理器的嵌入式程序设计、采集电路的智能切换以及人工比测电路的设计，提高了硬件系统的集成度和智能化程度，实现同一装置自动采集、存储、传输及人工比测多路不同类型的传感器信号。

图1 数据采集装置总体结构示意图Fig.1 Framework of the data acquisition device

2 具有人工比测功能的传感器数据采集装置的总体结构

传感器数据采集装置为混合式测量，任意通道均可测量振弦式、差动电阻式、标准电压或电流、数字信号等类型的传感器。第一微处理器通过控制切换电路实现继电器的通断，使传感器信号接入对应传感器的采集电路，实现不同传感器采集电路的分时复用，减少电路的冗余和重复。传感器数据采集装置的总体结构如图1所示，包括第一微处理器、数据采集模块、传感器接口、电源模块、通信模块、数据存储模块、通道切换模块以及人工比测模块，传感器接口用于与振弦式传感器、差阻式传感器、电压电流信号传感器、数字信号传感器连接。

数据存储模块包括EEPROM和CF卡。EEPROM用于存储装置的配置信息，CF卡用于存储采集到的传感器数据，并且可以掉电保存。通信模块包括以太网通信单元、RS232通信单元、RS485通信单元及GPRS通信单元。通过通信模块可实现采集数据的有线或无线远距离传输[4]。

3 主要模块设计

3.1 第一微处理器及嵌入式软件设计

第一微处理器作为整个装置的核心，实现装置模块间相互协作，采集通道、采集时间等参数的现场配置，以及采集数据自动测量等功能。选用的是32位的微处理器芯片STM32F407VET6，处理器是32位的RISC处理器[5]，提供超常的代码效率，其单精度浮点运算单元加速软件开发利用，支持多种语言工具，同时避免饱和[6]。微处理器为采集装置提供了卓越的计算性能和先进的响应中断的能力，同时具有成本低、引脚数目少、系统功耗低的优点。如图2所示，第一微处理器外围包括实时时钟、非易失性存储器FLASH、温湿度传感器、通信接口等，用于实现装置的自检、测量与控制、被测数据存储、数据通讯等，并通过与串口、以太网等通信接口的数据交互，实现采集设备的远程配置及数据传输。

图2 第一微处理器外围电路结构示意图Fig.2 Peripheral circuit structure of the first microprocessor

第一微处理器是该装置的处理核心，通过在微处理器中编写嵌入式程序，实现数据分析功能、控制功能、数据采集功能及数据交互功能。数据分析功能主要是运行和维护软件的数据更新、参数配置等；对采集的传感器数据进行不同类型传感信号的分类和组帧处理，并对接收的配置参数进行解析，包括通道总数、通道类型、超时时间、通信方式、测量方式、定时测量时间等参数。控制功能主要是将接收的配置参数转换成逻辑指令及开关信号，对通道复用模块进行控制，且能产生特定的频率信号作为振弦式信号采集单元的激振信号。

数据采集功能可以对采集的传感器数据进行识别，同时还可利用第一微处理器自带的A/D采集器作为采集电路的备用电路。数据交互功能实现第一微处理器与外围各模块的数据交互，包括通信协议及驱动配置，主要与数据存储模块、通信模块等进行数据交互。

3.2 人工比测功能的设计

人工比测模块通过第二微处理器嵌入式程序的设计，实现在人工比测模块中显示、按键指令读取、切换指令下达等功能。当按键指令到达时，第二微处理器会把指令反馈给第一微处理器，第一微处理器会将传感器输入通道自动切换到需比测的通道，并把此时传感器采集装置的自动测量值及传感器类型发送给第二微处理器，第二微处理器将得到值通过显示模块的液晶屏显示出来；同时第二微处理器把传感器的输入通道自动切换到对应类型的读数仪通道；可实时对比液晶屏上显示的自动测量值与读数仪人工测值。

人工比测模块包括第二微处理器、译码电路、继电器驱动电路、继电器通断电路、隔离电路、按键及显示电路，如图3所示。

图3 人工比测功能的电路结构Fig.3 Circuit structure of manual comparative measurement function

人工比测模块将第二微处理器输出的指令经过译码电路得到控制信号，一方面通过继电器驱动电路控制继电器通断，使通道切换模块输出的传感器信号经继电器通断电路输出到对应的隔离电路及传感器读数仪；另一方面控制显示电路，实现显示选择的传感器编号、传感器信号类型、传感器的自动测量值。传感器读数仪包括差阻式读数仪、振弦式读数仪、电压电流信号读数仪、数字信号读数仪。

第二微处理器是人工比测模块的处理核心，通过在微处理器中编写嵌入式程序，实现数据分析功能、控制功能、数据交互功能。数据分析功能，一方面，进行按键防抖动识别后，对按键的电平数据进行解析；另一方面，可对交互的数据进行协议解析。控制功能，用于将分析后的指令参数转换成逻辑指令及开关信号，对译码电路进行控制。数据交互功能，用于实现微处理器与外围各模块的通信协议，主要是与第一微处理器及显示模块进行数据交互。

3.3 传感器采集电路的设计

传感器信号采集模块，包括振弦式信号采集单元、差阻式信号采集单元、电压信号采集单元、数字信号采集单元；其中差阻式信号采集单元可根据不同的接线方式采集差阻式传感器、应变计和温度传感器的信号[2]；电压信号采集单元可根据不同的接线方式采集电压类传感器和电流量传感器。

振弦式信号采集电路包括激振波功率放大电路、自振波电压放大电路、滤波及整形电路，如图4所示。第一微处理器产生一连串不同频率的方波，经过功率放大电路后，增加方波的输出功率，确保能激振不同类型的振弦式传感器。传感器激振后产生的微弱的自振波形，通过两级电压放大后，经过滤波电路滤掉高频及低频的杂波信号，再通过整形电路处理完负电压波形后，输入到微处理器进行频率捕获处理。温度采集电路，用于采集振弦式传感器的温度值。

图4 振弦式传感器采集电路结构Fig.4 Circuit structure of signal acquisition by vibrating string sensor

图5 差阻式传感器采集电路结构Fig.5 Circuit structure of signal acquisition by differential resistance sensor

差阻式信号采集通道可根据不同的接线方式采集差阻式传感器、应变计和温度传感器的信号[7]。差阻式信号采集电路包括A/D转换电路、参考电压切换电路和恒压源电路，如图5所示。图5中恒压源电路为A/D转换电路和差阻式传感器提供恒定的电压；A/D转换电路采用ADI公司的AD7606，这款芯片是高性能的8通道16位采样芯片，仅有100 mW的运行功耗和25 mW的待机功耗[8]，利用8通道并行的AD7606芯片可同时采集几组电压，这样可避免非同步采样带来的误差，也提高了信号的转换效率；参考电压切换电路通过切换A/D转换电路的参考电压值，提高A/D转换芯片的电压分辨率，进而提高信号的采集精度。

电压电流信号采集单元包括差分放大电路、电压偏离电路和A/D转换电路，A/D转换电路采用16位AD芯片对信号进行采样，提高采集精度。数字信号采集单元包括光耦隔离电路和电平信号转换电路。

4 功能测试

本文研制的传感器自动采集装置，通过设计的调试软件，可实时查看设备的基本信息、传感器的接入类型及历史数据。

将本文研制的采集装置通过网口与调试软件连接，通过输入装置的IP号就可以找到此装置，出现如图6所示的界面。图6显示的是采集装置的“设备配置”界面，在此界面可查看传感器自动采集装置的设备编号、生产日期、开机次数、硬件版本号、软件版本号、运行时间、通道总数等参数，查看或配置测试时间、每个通道接入的传感器类型，也可以实时查看每个通道的实时数据。

图6 调试软件的设备配置界面Fig.6 Device configuration interface of debugging software

图7 调试软件的数据查看界面Fig.7 Data view interface of debugging software

图7显示的是采集装置的“数据查看”界面，此界面显示的是历史数据，通道1为振弦传感器，“通道1A”指的是频率值，“通道1B”指的是温度值，界面中显示的是通道1连续5天定点8:30测试的历史数据。经测试，传感器自动采集装置可按照设计要求读取不同通道的传感器数据，且数据正确。

5 结 语

本文研制出的具有人工比测功能的传感器自动采集装置中，2个处理器均采用STM32F407VET6处理器。第一微处理器集中控制传感器的信号采集、数据存储及数据传输，任意通道均可测量振弦式、差动电阻式、标准电压或电流、数字信号等类型的传感器。第二微处理器在人工比测模块中独立运用，支持读数仪数据接入、人工比测、数据实时比对及显示。

传感器自动采集装置作为大坝安全监测系统的重要组成部分，可提高水利水电等安全监测工程的技术和管理水平，完善现有的安全监测系统。随着工程安全监测技术和电子信息技术的快速发展，传统采集设备已无法有效满足实际工程安全应用需求。本文结合微处理器的嵌入式程序设计、采集电路的智能切换以及人工比测电路的设计，研制的采集装置能够自动采集多种类型的监测传感器数据，硬件系统的集成度和智能化程度显著提高，可适用于各类水利水电工程及岩土工程，解决了传统设备采集形式单一、通道无法复用、无法人工比测、智能化程度低等问题。