1 基于以太網的橋梁健康監測系統概述
橋梁健康監測技術是在橋梁體的關鍵部位安裝一些傳感器件，實時在線監測這些監測點所采集的結構參數在橋梁運營過程中的變化，通過對這些結構參數的分析和處理，綜合評定橋梁的安全服役狀況。因此，橋梁健康監測系統基本應該包含以下功能：
(1)各種傳感器信號的采集和處理；
(2)將采集到的數據變送至上位機控制單元；
(3)上位機實時信號的監控、分析和處理；
(4)歷史數據的保存和查閱。
隨著通信技術的發展，網絡技術也正逐步應用在國內外許多大型橋梁監測系統中。將監測儀通過以太網連接到中央控制機，可以實現采集數據的遠程傳輸和共享，從而在監控中心就可以對橋梁各項結構參數的實時在線監測。
基于以太網的橋梁健康監測系統的框架結構如圖1所示。其中，監測儀主要完成數據的采集和變送，由于橋梁監測系統采集和處理的數據量非常大，實時性要求非常高，以單片機實現的嵌入式系統難以滿足要求，本次設計的監測儀主板的設計充分利用了DSP的強大數據處理能力和FPGA的時序邏輯功能，因此，可以滿足大數據量、實時監測的系統需求。
中央控制機實時顯示當前監測的各項性能指標，同時能夠自行分析橋梁是否處在安全服役狀態，當出現突發情況下橋梁的損傷、安全性能下降的情況下能提示安全警報，避免發生重大的惡習安全事故。
2 基于以太網的橋梁健康監測系統的軟件設計
2．1 軟件設計需求分析
現場監測儀將采集到的信號通過以太網傳送到上位機PC，在PC機上實時顯示、保存、分析采集數據信息，既能夠充分利用了DSP在現場高速采集處理數據的能力，又能夠充分利用了上位PC機在繪制圖像和保存數據方面的優勢。因此，一個完整的橋梁健康監測系統在中央監控部分應該完成以下幾個功能：
(1)每臺監測儀IP地址、MAC地址、Port端口等網絡地址信息、運行模式以及系統采樣時間的設定；
(2)監測儀8個通道的采樣頻率、放大倍數、采樣保存時間的設定以及每個通道對應傳感器類型的選擇；
(3)動態實時顯示數據曲線。數據的顯示可以以原始數據和FFT兩種格式，并且可以調整采樣時間設定一幀采集的數據量的大小；
(4)八個通道數據采集數據的長度、采集的時間能夠同步實時顯示在中央控制機上；
(5)越限報警。當采集到的數據出現異常，超出正常的數據范圍的時候，能夠向中央控制單元報警，便于工作人員及時查找出現的故障和損傷；
(6)能夠對采集到的數據進行實時分析。
2．2 軟件系統整體設計和流程
軟件設計核心部分主要有兩個，一個是中央控制單元向監測儀發送命令參數，另一個是中央控制單元接收監測儀發送回來的采集數據信息。PC機接收到采集的數據信息后，還需要根據系統要求繪制出數據曲線圖，便于對采集到的數據進行分析，同時為了歷史數據信息的查閱，還必須將采集到的數據保存到Excel文件，其流程圖如圖2所示。根據軟件設計的整體設計和流程，采用了四個線程：
線程1：UINT SendCMDToDSP(LPVOID IParam)，完成向DSP發送在主程序設定的命令參數；
線程2：UINT、RecieveData(LPVOID IParam)，完成接收采集的數據信息；
線程3：UINT DrawCurve(LPVOID IParam)，將采集到的數據繪制成曲線圖像；
線程4：UINT StoreToExcel(LPVOID IParam)，將采集到的數據保存到Excel文件，便于查閱分析歷史數據。
其中，由于PC是被動接收監測儀采集的數據，為了保證在接收數據時沒有數據丟失，要把RecieveData線程的優先級設為最高。
Windows本身采用的是消息驅動機制，當一個線程發出一條消息時，操作系統首先接收到該消息，然后把該消息轉發給目標線程。所以可以自定義消息，然后通過操作系統來實現一個線程向另一個線程發送消息。
首先SendCMDToDSP線程發送參數命令給監測儀主板核心器件DSP，DSP收到參數命令后，按參數命令的要求向PC發送數據，RecieveData線程監聽到DSP開始發送采集數據后，開始接收數據。由于Recie-veData線程優先級別高于SendCMDToDSP線程，所以當接收數據時發送命令參數，SendCMDToDSP線程則需要等待RecieveData線程接收完數據才能開始發送命令參數，這樣就不會造成命令參數的覆蓋。在PC機內存區域開辟一塊緩沖區用于接收數據，RecieveData開始接收數據，當內存緩沖區滿的時候，RecieveData線程PostThreadMessage一個消息給DrawCurve線程，將緩沖區指針和大小作為消息參數傳遞過去，然后釋放緩沖區，再等待接收數據；DrawCurve線程接收到消息后，分配另一塊內存保存數據，繪完采集數據的曲線圖像后，DrawCurve線程PostThreadMessage一個消息給StoreToExcel線程，將新的內存指針和大小作為消息參數傳遞過去，然后把數據緩沖區釋放，再繼續等待消息；StoreToExcel線程獲取消息后，同樣分配另一塊內存保存數據，將采集的數據保存到Excel文件，然后把緩沖區釋放，再繼續等待消息。
2．3 以太網通信模塊設計
PC與DSP的數據通信采用的是以太網通信，上位PC機向DSP發送設定好的命令參數，DSP則按照接收到的命令參數采集數據，然后向PC機發送采集到的數據。以太網通信部分采用的是套接口Socket編程，套接口Socket提供了許多函數，利用這些函數，程序員就可以實現DSP和上位PC機的以太網通信。
2．3．1 發送命令模塊
當上位PC機向監測儀發送IP地址、MAC地址等命令參數時，監測儀作為服務器端，PC機作為客戶端。在服務器端和客戶端分別創建一個套接口Socket，然后在系統上電后，監測儀就處于監聽狀態，當監聽到PC有連接請求時，監測儀服務端又創建一個新的套接口stcpctive來與PC建立連接，當監測儀與PC建立連接以后，PC就可以向監測儀發送命令參數了。在此過程中，PC每次向監測儀發送100 B的命令參數，其中，第一個字節是區分不同命令參數的標志，監測儀接收到命令參數后，利用這個標志來設置的各項參數，通過這種方式，依次設定監測儀各個通道的采樣頻率、保存時間、PGA、采樣閾值、FFT使能以及監測儀本身的IP地址、MAC地址、運行時模式以及監測儀系統時間的設置，其流程如圖3所示。
2．3．2 接收數據模塊
當監測儀將采集到的數據通過以太網發送到上位PC機時，PC機作為服務器端，監測儀作為客戶端。同樣，也是在PC機服務器端和監測儀客戶端各創建一個套接口Socket，當PC機上的應用程序開始運行后，PC機就處于監聽狀態，當監聽到有監測儀端有連接請求的時候，就創建一個新的套接口stcpctive與監測儀建立連接。當PC機與監測儀建立連接以后，監測儀依次向PC機發送采樣時間、通道號、數據長度、采樣數據。采樣時間即表示該發送的數據對象是哪個時刻的采樣結果。為了接收監測儀發送過來的數據信息，需要在內存緩沖區開辟一個容量為16 384×4的buffer，每臺監測儀8個通道，因此開辟8個buffer，用來存放8個通道接收到的數據，其流程如圖4所示。
3 模擬測試
橋梁健康監測技術的發展還有很多處于實驗室研究階段，因此，數據的采集測試是在實驗室環境下采用波形發生器產生的三角波信號來模擬實際現場傳感器信號。設定好通道號、采樣時間、采樣頻率和放大倍數等命令參數，運行程序，可以看到如圖5所示的三角波波形。其中，橫坐標表示在設定的采樣時間內采集數據的個數，即為1 s時間內采集512個數據。縱坐標表示采集信號的幅值，由于從傳感器出來的信號電壓是-2．5～2．5 V，ADC采樣分辨率為24 b，去掉第24位，取中間值即222，為0 V，如圖5所示。采集數據無漏點，波形完整，因此符合橋梁健康監測系統的采集數據的基本需要。
4 結 語
本文完成了基于以太網的橋梁健康監測系統的軟件設計，實現了橋梁健康監測系統中各種傳感器信號的采集，同時將采集到的數據信號通過以太網傳輸到PC上，實時顯示各采集信號的輸出波形，并將采集到的數據保存至Excel文件，便于歷史查閱和分析。軟件設計界面友好，可完成一般的橋梁健康監測任務。