基于线阵CCD和CAN总线通信的引张线仪的设计与实现

周芳芳，毛索颖，黄跃文，胡 蕾

(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

引张线仪主要应用于大坝等水工建筑物水平位移的长期观测，引张线法是利用两固定基准点之间拉紧的不锈钢丝作为基准线(引张线)，利用此直线来测量建筑物各测点在垂直该基准线方向上的水平位移的方法[1]，在测量时需要在一条引张线的范围内安装多个引张线仪[2]。目前大部分引张线仪都采用RS485的通信方式，将多个引张线仪通过RS485的方式连接[3]，容易出现通信不稳定、易出错等情况，且现场需要通过笔记本电脑连接串口调试助手，按照引张线仪的通信协议编写简单的通信指令才能读取采集数据，这对现场的安装及调试造成了很大的不便。

针对现有技术存在的不足，本文设计了一种采用线阵电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)非接触式自动化测量的引张线仪，通过采用控制器局域网(Controller Area Network，CAN)总线的通信方式，增强了引张线联网通信的可靠性，运用蓝牙通信及手机APP，方便现场的安装及调试。

线阵CCD 属于半导体光电器件，具有很高的光灵敏度，其像元集成度高、尺寸精确、间距固定，稳定性好，使用寿命长，测量结果重复性好。随着 CCD 应用技术的快速发展和进步，CCD 的应用范围越来越广泛，如几何尺寸测量、光谱检测分析、图形扫描等技术领域[4]。

2 原理及总体结构

本文设计的引张线仪自带微处理器及存储器，可自动采集及存储，具有蓝牙通信功能，可连接手机APP，实现现场配置、实时采集、历史数据查看等功能，采用CAN总线通讯接口，通过通讯转换设备可直接接入软件系统，仪器具有测量精度高、无电学漂移、性能稳定等技术特点。引张线仪利用投影原理，采用光源通过透镜后形成平行光的照射方式，将引张线在CCD器件上产生一个投影[3]，CCD器件不同像素点感光度的差异，对应的输出值将不同，CCD器件将每个像素点的光强按照相应逻辑时序以电压形式输出，输出信号经过各种数据处理后，定位引张线的位置，是一种非接触式的位移测量方法。

图1 引张线仪的结构示意图Fig.1 Schematic diagram ofwire alignment instrument

引张线仪需安装在测点箱内，测点箱不仅内置浮托装置及人工读数标尺，同时兼作引张线仪的保护箱。引张线仪采用密封的 ABS 外壳，具有良好的防潮防湿性能，如图1所示，仪器中间部位向内的凹槽为引张线通道，引张线悬空于引张线通道。引张线仪由点光源板、透镜板、CCD采集通信板组成，引张线位于透镜板与CCD采集通信板之间。

在引张线仪的结构中，点光源板的光源位于透镜板中菲涅尔透镜的焦点处，点光源板的光源发出的光线通过菲涅尔透镜后形成平行光，照射到引张线上后再照射到CCD采集通信板中的线阵CCD采集模块上。引张线的遮挡位置会影响线阵CCD采集模块上不同像素点的采集值，根据采集值的不同,判断引张线位于哪些像素点处，从而定位引张线的水平位置。

3 电路设计

3.1 CCD采集通信板设计

CCD采集通信板实现引张线仪的控制、信号采集、电源管理、通信管理等主要功能，以微处理器为控制核心，与蓝牙通信模块、CAN总线通信模块、线阵CCD采集模块、Flash存储模块、RTC时钟模块、温湿度传感器、电源管理模块等共同组成，如图2所示。

图2 CCD采集通信板结构示意图Fig.2 Schematic diagram of CCD acquisition andcommunication board

微处理器芯片选用的是32位的STM32F407VET6，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[6]，同时具有成本低，引脚的数目少、系统的功耗低的优点。

本文没有从基础的CCD器件进行研发，而是选择线阵CCD模块，输出2 596个像素点对应的电压，通过编写程序去控制使能及时序。微处理器通过引脚的时序、电平来控制线阵CCD采集模块的采集，采集的是一连串数据，每个数据代表每个像素点的受光程度，引张线会遮挡一部分平行光，有一部分像素点的受光强度程度较弱，对应的采集值也较小，将数据进行滤波及算法处理后，可定位引张线的位置，当引张线相对于引张线仪水平移动时，采集的一连串数据也会变化，通过数据变化的换算，可计算出引张线相对于引张线仪水平移动的距离。

微处理器通过与蓝牙通信模块连接，可与智能终端(例如手机或平板电脑)通信，一方面通过APP软件现场配置引张线仪的通信参数、运行参数等，另一方面，可以通过APP软件采集引张线仪的实时数据及查看历史数据。

微处理器通过与CAN总线通信模块的交互，将采集的数据通过CAN总线的方式进行远程传输，CAN总线通信模块具有两组CAN总线通信通信接口，用于通信组网时级联。

Flash存储模块通过串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，SPI)总线与微处理器连接，微处理器将采集的传感器数据存储到失电后数据不会丢失的Flash存储模块，手机APP及远程软件都可以进行数据读取。微处理器将引张线仪的设备信息、通信地址、配置参数等信息也存储到Flash存储模块，便于不同的通信设备连接时，可随时读取和操作。

RTC时钟模块通过IO口与微处理器连接，为引张线仪提供精准的时间，并提供备用电源，也就是纽扣电池，防止设备掉电时RTC时钟模块停止工作。

温湿度传感器设于设备箱体内，通过SPI总线与微处理器连接，采集设备箱体内的温度和湿度信息，透镜板中的菲涅尔透镜如果在高湿环境下容易起雾，影响测量精度，因此透镜板上设置有加热电阻，微处理器在温湿度传感器检测设备箱体内温度和湿度信息达到阈值时，启动加热电阻对透镜板进行加热，以满足菲涅尔透镜正常工作。

3.2 点光源板设计

点光源板的设计关键在于点光源的选取，有两个因素需要考虑，即光强度和照射范围。LED光过强时，CCD模块会曝光，采集不到数据，或者出现阴影面几乎没有的情况；LED光不足时，会导致整个模块采集数据都偏低的情况。LED光不稳定时，会导致采集数据跳动较大。LED照射范围不足时，将导致CCD模块边界位置采集不到可靠数据，数据跳动大。经过十几种点电源的测试与对比，选取了一款较稳定的LED灯，由于同批次的LCD存在差异，需要通过滑动电阻器调节光强度，确保采集数据的稳定。

4 嵌入式软件设计

本文应用的微处理器芯片STM32F407VET6使用C语言进行嵌入式编程。由于引张线仪不需要一直保持采集状态，本文的设计是通过设定的采集时间及通讯指令进行采集触发，从而使能线阵CCD采集模块，微处理器输出时序和电平对线阵CCD采集模块进行控制。按照模块的时序要求，线阵CCD采集模块会输出固定时间长度且一定范围内的电压，微处理器通过内置的ADC(模/数转换器)对电压按时序进行采集，每个时钟输出的电压对应的是线阵CCD每个像素点的感光值，通过对保存的数据进行解析，判断被遮光的位置，从而定位引张线的位移。

微处理器在上电时会进行各个功能的初始化处理，具体的主程序流程如图3所示，在循环程序中读取通信指令的标志位及设定采集时间到的标志位；读取到通信指令的标志位时，会按照通信指令进行相关指令的操作；读取到设定采集时间标志位时，会进行使能线阵CCD采集模块，采集当前的数据，数据处理后按自定义的数据格式进行存储。

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

对线阵CCD采集模块的控制及采集数据的处理是微处理器的核心部分，通过对采集数据的分析、异常数据过滤、阈值确定、阴影数据选定、范围计算等步骤，从而确定引张线的位置，具体处理流程如图4所示。

图4 线阵CCD采集及数据处理流程Fig.4 Flow chart of linear CCD acquisition anddata processing

5 组网通信设计

在两固定基准点之间拉紧的一条引张线，需要安装多个引张线仪在建筑物沿线的各测点处，用于测量各测点在垂直该引张线方向上的水平位移距离。各引张线仪运用CAN总线连接，如图5所示，每台仪器均有一个独立的物理地址，可通过CAN总线组网使用，在组网末端通过CAN总线转以太网的模块接入软件系统，组网时利用引张线仪的CAN总线通信模块，通过级联的方式连接。

图5 引张线仪组网示意图Fig.5 Schematic diagram of communication networkof wire alignment instrument

CAN总线通信模块采用TJA1050T芯片，TJA1050 是介于CAN控制器和物理总线之间符合ISO11898标准的高速CAN收发器，最高速率可达1 Mbit/s[7]，抗干扰能力强，稳定性好，具有引脚保护，有效防止瞬态干扰[8]。在本文的设计中，将此芯片作为物理层，提供差动发送和接收，根据引张线仪的参数和采集数据特点，自定义通信协议，使用微处理器内置的CAN控制器进行通信控制。

图6 手机APP设备配置Fig.6 Device configurationon mobile APP

6 手机APP配置及现场应用

6.1 手机APP配置

引张线仪可使用手机APP和云平台两种配置方式，APP的方式能查验安装的仪器是否正常运行的，若远程系统没有及时连接上仪器时，可更快地确定问题所在。将引张线仪安装在现场并上电后，通过手机APP来进行参数配置、实时数据读取及历史数据查看。通过设计的手机APP软件搜索附近的引张线仪，通常在距离采集单元10 m的范围内借助手机蓝牙，搜寻现场设备进行连接，连接后进行参数设置，设置选项包括设备类型、通信方式、采集模式、间隔时长、线的外径、设备对时、数据管理选项等，如图6所示。

引张线仪连接成功后，不仅可读取和设置仪器基本信息，还可读取仪器已储存的历史数据及实时数据，如图7所示，读取的历史数据，并展示数据变化曲线。图8为读取当前的引张线位移数据数据，及仪器当前的温度和湿度等环境量参数，图中显示的“状态：成功”表示读取数据正常；当读取数据不正常，会显示具体的错误类型，例如无阴影面积、仪器周围光线太强等。

图7 手机APP历史数据查看Fig.7 Historical dataviewing on mobile APP图8 手机APP实时数据读取Fig.8 Real-time datareading on mobile APP

6.2 现场应用

目前引张线仪已经在湖南江垭水电站安装并使用，已安装的引张线仪通过通信转换模块后，与云平台系统建立连接，在云平台中添加上引张线仪的编号信息，就可以远程控制仪器的数据采集和数据传输，真正实现自动化管理，生成一段时间内每日测值的位移变化量，可以直观地显示变化情况，时间范围可根据数据分析要求进行选择。

引张线仪构建的自动化采集系统，可实时查看大坝的变形情况，为及时了解大坝运行形态、发展趋势[9]，评估工程的安全状况提供了可靠依据，具有较好的应用前景。

7 结 语

本文所研制的引张线仪采用精密线阵CCD传感器及数字电路检测，采集精度高，无电学漂移，实现了引张线的水平位移的自动测量，并具有故障诊断功能；运用蓝牙通信与智能手机APP，解决了现场参数配置、采集数据实时读取的问题；运用微处理器和CAN总线的通信方式，确保组网传输的可靠性，解决了传统通信方式不稳定的问题，具有可靠性高、智能化程度高、无人值守的特点；仪器具有防潮外壳及驱潮措施，适应水电站等潮湿环境下长期连续工作。

引张线仪是大坝安全监测自动化系统的主要组成部分，为保障大坝发安全运行提供有效的技术支撑。