基于LabVIEW及TCA2003的工程变形监测自动化及网络化_图文

1、第 36卷第 1期2011年 01月测绘科学Sc i ence o f Survey ing and M app i ngV o l 36N o 1Jan 作者 简介 :孔 小勇 (1986 , 男 , 江 西 吉安人 , 硕士研究生 , 研究方向 :变形 监测和矿山开采沉陷。 E m a i:l nckdnckd2008163 co m收稿日期 :2009 05 14基金项目 :辽宁工程技 术大学研究 生创 新 计 划 科 研 资 助 项 目 (编 号 :Y 200900702; 辽宁省 教育 厅 创 新团 队(基于 Lab VI E W 及 TCA2003的工程变形监测自动化及网络化孔小勇

2、, 杨 帆, 朱丽玲, 孙国华( 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院 , 辽宁阜新 123000; 中冶京唐建设有限公司 , 河北唐 山 063030 摘 要 为了实时监测变形体的三维形变量 , 将现场监测 数据实 时传入 计算机处 理 , 并根 据人工 设定变形 体形 变量和形变速度的阈值 , 对变形体 安全及稳定性做出及时判断和预警 。 利用图形化编程语言 Lab V I E W 开发虚拟仪 器以提供强大的 界面可视化及连接仪器与计 算机的 功能 , 联 合 TCA 2003智 能全站 仪的 ATR 功能 , 开发了一 套变 形监测自动化及 网络化虚拟仪器系统 。 经实践检验 , 该系统能

3、够配合 TCA 2003完成数据 的的采集 、 实 时传输 、 存 储 、 处理 , 动态显示监测结果及实时预警 , 监测历史 曲线查看及报表打印 , 并能将 监测系 统网络 发布 , 实现 远程 监测 。关键词 L abV IE W; TCA2003; 自动化 ; 网络化 ; 虚拟仪器中图分类号 P258 文献标识码 A 文 章编号 1009 2307(2011 01 0137 031 引言在很多工程 现场 , 比 如地 铁隧道 的开 挖 , 采 矿巷 道的 掘进等 , 对变形 体进 行实时、 周期性 地监 测和对 变形 体安 全和稳定性的实时分析和报告 是非常有必要的 1, 2, 通过及

4、时地处理 监测 数 据 , 动 态查 看和 分 析变 形体 的 形变 趋 势 , 并在险情发生之 前进 行预警 , 能够指 导工 作现 场维护 及避 免人员的伤亡事故 发生 3。由 于现场 环境 的复 杂和监 测的 持续性 , 不方便 技术 人员作 现场 持续的 人工 观测 , 这 就需 要将监测数据实时 传输到 现场 附近比 较稳 定和 安全的 场所 进行分析和 处理。为 此 , 为了 快速 搭建监 测平 台 , 本 文将 测控领域的虚拟 仪器技 术引 入变形 监测 中 , 通过 L ab V I E W 编程 , 解决了计算机 与 TCA2003串口通 信问 题 , 并实 现了 实时、动态

5、变形 监测 和预警 ; 为了弥 补串 口通信 距离 的限 制 , 使用 L abV IE W W eb 服务器 , 将监测 系统发布到 指定的 网络端口 , 通过 Lab V I E W R ea l T i m e 引擎或网页打开 , 实现 了监测的网络化。2 LabV I EW 简介Lab V IE W 是实验室虚拟仪器 集成环境 (L aboratory V irt u a l Instru m ent Eng i neering W orkbench 的简称 , 是美国 国家仪 器公司 (NAT IONA L I N STRUM ENT S TM , 简 称 N I 的 软 件 产 品

6、 , 它是一个 高效快 速的 图形 化开发 环境 , 编 程简 单 , 特 别适合于数据采集和 控制、数 据分析以及数据表达 4,5。它 是一种用图标代替文本行创建 应用程序的图 形化编程 语言 , 并采用数据流编 程方 式 , 程序 框图中 节点 之间 的数据 流向 决定程序的 执行顺 序 , 它用 图标 表示函 数 , 用连 线表 示数 据流向。Lab V IE W 提供了很多外观与 传统仪 器 (如示波 器 , 万用表 类似的控件 , 可 用来方 便地 创建用 户界 面。用户 界面 在 L ab V IE W 中被称为前面板 , 程序 框图被 称为后 面板 , 使 用图标和连 线可 以

7、通过 编程 对 前面 板上 的 对象 进行 控 制。 这就是图形化代码 , 又称 G (G raphics 代码。 L abV IE W 程序 被称为 V I , 即虚拟仪 器 , 这是 因为它 的很多界 面控制 与操 作都模拟了现实 世界中的 仪器 , 其 核心 概念 就是 软 件即 是仪器 , 即虚拟仪器的概 念 5, 6。 L abV IE W 集成了 与满足 G P I B 、 VX I 、 R S 232和 R S 485协议的 硬件及数 据采集 卡通 讯的全部 功 能。不 仅如 此 , 通 过通 用 的驱 动 程 序或 接 口 , 例如 V ISA , I V I , O PC ,

8、 A ctiveX 和 DLL 等 7, 它几乎能与 任何厂商甚至自制的硬 件通信。3 TCA2003简介T C A 2003全站仪 是徕 卡 TPS1100系 列全 站 仪 , 被 称为 测量机器人 (G eoR obo t, 是 瑞士徕 卡测 量系 统公 司推 出的 马达驱动、自动跟踪型全站仪 , 是高精度测距 仪 (1mm +l p p m , 绝对编码度盘电子经 纬仪 ( 0 5 和计 算机技 术的 结合 , 采用 50HZ 高频测尺 , 具有伺服马达驱动、自动目标 识别和锁定跟踪目 标 (ATR 等功 能 , 是一 种能 代替人 进行 自动搜索、跟 踪、辨识 和精确 照准 目标 ,

9、并 在此 基础 上获 取测量的角 度、距离、三 维坐 标以及 其他 地理信 息的 智能 电子全站仪 , 在高精度的测量工 程中具有很广泛的 应用 8。 TCA 2003全站仪最大的特点就 是通过 CDC 影 像传感 器构成 的视频成像传感器 和其他 传感 器对现 实测 量世 界中的 目标 进行识别 , 迅速 做 出 分 析、判 断 与推 理 , 实现 自 我 控 制 , 并自动完成 照准、读 数等操 作 , 在这 方面 完全可 以代 替人 的手工操作 9。它能够按 照人 制定的 测量 计划 来控制 测量 过程 , 同时可以与 计算机 软件 相结合 来对 测量 的成果 进行 数据处理和成果分析

10、,4 工程变形监测自动化系统的实现系统各子模块 的功能 实现 都是围 绕数 据的 采集与 分析 展开的 , 因 此数 据 的存 储、组 织是 系 统正 常 运 行的 关 键。 因此首先解决的是 计算机 和仪 器通信 的问 题及 采集得 到的 数据的存储和组织的问 题。4 1 存储 数 据 库的 配 置 及 L abV I EW 编程 实 现 计 算机 与TCA2003的通信T C A 2003提供 RS 232串行通信接 口与计 算机或 其他设 备通信 , 由于 RS 232串行通 信的最 大距离 为 20m , 因此几 , 因此 来解决测绘科学 第 36卷题 10, 通过 RS 232与 R

11、S 485转 换器及 信号放 大器可 将数 据传递距离拉大为 3k m, 而且 R S 232与 R S 485转换只是电 器特性的转换 , 不存在协议转 换 , 因此 非常容易。 TCA2003与计算机通信后 , 必须将 监测 数据按 一定 格式 保存到 数据 库中 , 为后期工作做数据支持 。本系统 采用 L abS Q L 工具包 和 A ccess 作为数据存储及相关操作 的基础。 首先 , 配置 好 数据 源 : 在电 脑 任一 盘符 下 建立 A c cess 数 据 库 , 这 里 命名 为 M ON ITOR m db ; 在 w indow s 控制面板 中双击 管理工具 |

12、 数据源 (ODBC , 弹 出 ODBC 数 据 源 管 理器 , 选 择 Sy stem DSN 选 项 卡 , 单 击 A dd 按钮 , 在数据源驱 动中选择 M i croso ft A ccess D r i ver(* m db ; 单击 F i n i sh 按扭 , 弹 出 OD BC M icro soft A c cess Se t up 对话框 , 在该对 话框中 设置 D ata Source N a m e 为 M ON ITOR _Exa m ple , 在 Da tabase 栏中单击 Se lect 按 钮选择 第 步创建好的数据 库 M ON I TOR m

13、 db , 单击 OK 按钮 , 完成了数据源的配置 。然后 , 在 L ab V IE W 后 面 板 编 写 程 序 如 图 1, 实 现 与 TAC2003的通信和 数据存 储。配 置串 口参 数 , 超 时时 间为 10000m s , 波特率为 9600, 数 据位 为 8, 奇偶 检验 为 N one 。 这些参数在 TCA 2003也进行相同的设置。 图 1 仪器连接及数据格式化存储程序框图4 2 系统各 子模块的设计通过在 L abV IE W 8 6编 程 环境 下完 成 系统 各模 块 的前 面板和后面板的设计 。本系统主要 包括数 据处 理模块、 历史曲 线查 看模 块及

14、 报表打印、声 音 , 警示 灯报警 模块、系 统运 行界 面等 主要 模块 , 下面简单介绍各模块的 功能及实现过程 :1 数据处理模块数据处理包 括数 据的 存储 , 数据 动态 显示 于界 面、三 维形变量的当前 值计 算和显 示、三维 形变 速度 的计算 和显 示 , 是本系统的核心内容 , 其程序设计 如图 2。 图 2 数据处理主程序框 图2 历史曲线查看及报表打印历史曲线 查看 功 能有 利于 分 析三 维 型变 量 整体 趋 势 , 报表打印功能能 将历 史曲线 及数 据表格 打印 出来 , 方 便资3 声 音 , 警示 灯报警模块为了能够及 时根据 三维 形变和 形变 速度阈

15、 值报 警 , 本 系统采用声音和 警示 灯同时 示警 的方式 , 当三 维形变 或形 变速度超过了阈值都会 触发报警事件。4 系 统运行主界面将系 统 主界 面 设 计 如 图 3样 式 , 将 其 保 存 , 命 名 为 变形监测 v i 。至此 , 系统的各模块就基本上实现了。图 3 系统主界面5 工程变形监测系统网络化的实现工程中 , 有时候 不仅 只在本 地施 工关注 工程 的运 行状 况 , 远程的客户 端也 时刻关 注并 指导着 工程 的运行 , 由于 传统的报告形式 时间 滞后性 太强 且数据 传递 不直观 、不完 整 , 因此实现监 测的 网络化 是具 有迫切 需要 的 ,

16、下面 通过 Lab V I E W w eb 服务器的 配置实现变形监测系统的网络化 5:1 打 开 变形监测 v i 前 面板 , 选 择主菜 单的 Too ls |Options |W eb Serve r :Con figuration 选项 , 选择 Enab leW eb Serv er , 指定一个空闲的端口号。2 选 择 W eb Server :V isi ble V Is 页面 , 在这里配置被远 程连接的 V I , 这里选 择 变形监测 v i 。3 选 择 W eb Serv er :Bro w se A ccess 页面 , 在这里 配置 允许连接本机 的远 程主 机

17、。单 击 OK , 启动 本地 的 L ab V I E W W eb 服务器 , 这是已 经可以 通过 L abV IE W R ea l T i m e 引擎连接当前内存中打 开的 V I 了。4 选 择 T oo l s |W eb Publis h i ng T oo l 选项 , 在弹 出的对 话框中的 V I na m e 栏中选择 变形监测 v i 。 V ie w i ng M ode 选择 Em bedded , 即 将前 面板 嵌 入 网页 中 , 用 户 可以 浏 览也可以控制模 式。配置好 网页标 题为 远程 变形监 测系 统 , 头注为 该 面板 来 自 202 19

18、9 232 38 和 尾 注。单 击 N ext 。5 在 对话框中配置网址。 U RL 即远程机器浏览时的网 页地址 , 选 择 Save to D isk , 将会 弹 出 D ocu m ent U RL 对 话 框 , 单击 Connect 按钮就可以在本地网页浏览器中浏览到该 网页了。远程客户需要监控系统 , 只要在 In ternet 地 址栏中 输入配置好的网址就可 以了。6 结束语本 系统 的设 计 , 结合 了 TCA 2003高精 度 自动 测 量 和 L abV IE W 超 强的 仪 器通 信能 力及 界 面 可视 化 设 计 , 采 用 G 语言 构建 专业 系 统简

19、 单 快 速 , 摆 脱 了常 规 程 序 设 计 的 在实 本 系统 已 到 移 动 或 138第 1期 孔小勇等 基于 L ab V I E W 及 TCA 2003的工程变形监测自动化及网络化式 11实 时监 测和 报警 功能 并打 破了 传 统 的基 于 G eoBas i c 的 机载 监 测 程 序 的 不 方 便 性 12。 本 系 统 的 需 改 进 之 处 是 增加 仪器 控制 、工 作基 点 自身 移 动 检 测 、三 维 形 变 动 态 预测 功能 , 将 监测 和预 报 结合 以 实 现 更 加 实 用、 可 靠 的 系统 。参考文献1包欢 , 徐忠阳 , 张良琚 自动

20、变形监测系统在地铁结构 变形监测中的应用 J 测绘学院学报 , 2003, (2 2王 晓 华 , 胡 友健 , 柏 柳 变 形 监 测研 究 现 状 综 述 J 测绘科学 , 2006, (23刘军 , 张 飞进 , 高文 学 , 李 东海 远程 自动 连 续监 测系统在复杂地铁工 程中的 应用 J 中国铁 道科 学 , 2007, (24宋凡峰 基于 Lab V IE W 与 MATLA B 的现代光测图像处 理系统 D 南京 :南京航空航天大学 , 2007:38 38 5陈锡辉 , 张银鸿 L ab V I E W 8 20程序设计从入门到精 通 M 北京 :清华大学出版社 , 200

21、7:336 338 6徐宏 坤 基于 L abV IE W 远程监测平台的研究 D 成都 :成都理 工大学 , 20087骆亚 波 , 郑勇 , 夏治 国 , 等 测 量 机器 人动 态 测量 技术 及应用研究 J 测绘通报 , 2006, (3 8张海 玲 基于 TCA 2003全站仪 的自 动变 形监测 系统 的研 制 D 青岛 :山东科技大学 , 20059梅文 胜 , 张正禄 , 黄全 义 测量 机器 人在 变形 监测 中的 应用研究 J 大坝与安全 , 2000, (1 10徐楠 地铁 隧 道管 壁位 移 实时 监测 系 统 D 青 岛 :中国海洋 大学 , 200811张正禄 ,

22、梅文胜 用测 量机器 人监 测三 峡库区 典型 滑坡 研究 J 湖北地矿 , 2002, (212朱超 , 许昌 , 王超 领 测量 机器 人 G eoCo m 接 口技 术的 应用与开发 J 北京测绘 , 2007, (4Engineeri n g deformation m on itoring auto m ation and n et work ing base on LabVIE W and TCA 2003Abstrac t :In orde r to m onitor t he t hree di m ensiona l variab les of defor m ed shap

23、e i n real ti m e , the pape r deli vered the mon itoring data i nto computer for processi ng, and made ti m ely dec isi ons and ea rl y w arn i ng of sa fety and stab ility o f defor m ed shape by setti ng the thresho l ds o f shape de f o r m ati on and defor m ation rate artific i a lly It took a

24、dvantag e o f L abV IE W g raph ica l progra mm i ng l anguag e to de ve l o P v i rtual i nstrument to provide pow erful functi ons as i n terface v isua li zati on and connec ti on bet ween co m pute r and equi pment , jo i nt ed t he ATR function of i nte lli gence T ota l Stati on TCA 2003, deve

25、loped a se t o f defor m ation m onitor i ng auto m a tion and net wo rking v i r t ua l instru m ent syste m A fter prac tice , t he system cou l d coope ra te w ith t he TCA 2003to comp l e te acquisiti on o f data , real ti m e trans m is si on , storag e , processi ng , dyna m ica lly show i ng

26、mon i to ri ng res u lts and ea rl y w arn i ng , check i ng h i stor i ca lmon i to ri ng curves and pri n ting repo rts , furthe r m ore , the m onito ri ng syste m could be pub li shed on W eb to achieve re m ote mon itoringK ey word s :Lab V I E W; TCA 2003; auto m ation ; net wo rk i ng ; v irt

27、 ua l i nstru m en tKON G X iao yong , YAN G Fan , Z H U L i ling , SUN Guo hua ( Co lleg e o fG eo m a tics , L iaon i ng T echn i ca lU niversity , Fux i n 123000, Ch i na ; Jing tang Constructi on Co , L td o f China M e tall urg ica, l H ebe i T angshan 063030, Chi na(上接第 23页 4 结束语本文为实现时 间的高 精度

28、同步提 供了 一种 新的解 决方 案。基本原理是利用 GPS OE M 板触发计 算机串口 以获取秒 脉冲和 U CT 时间 , 结合 CPU 计时 , 为相机控制软 件获取一 高精度的 绝对 时 刻。首先 分 析了 G PS O E M 板精 密 授时 原 理。然后阐述 了 GPS OE M 板 触发 计 算机 串 口实 现 时间 同 步 , 最后分 析本 文 方法 的精 度。在 本 文 中的 实 验条 件 下 , 时间同步精度在 3m s 以下。本方 法主要 误差来 源于 CPU 的 不稳定性 , 硬件 上 , 可 以 购置 高性 能 的 计算 机 提高 精 度 ; 软件上 , 可以定时利

29、 用 G PS OE M 板修正 CPU 计时数据以提 高精 度。 由 于 本文 方 法 简 单、易 行 , 具 有 较 强的 工 程 实 用性。参考文献1王广 运 , 郭秉 义 , 李洪 涛 差 分 GPS 技术 与应 用背 景 M 北京 :电子工业出版社 , 19962王琦 , 胡修林 基于 OE M 板的 G PS 定位接收 机的研 究与 实现 J 电子工程师 , 2004, 30(11 3袁德宝 , 等 基于 VC +的 GPS OE M 串行通讯关键算 法的设计与实现 J 测绘科学 , 2008, 33(6 4燕斌 , 赵飞 基于 GPS 授时的 异步 同步 数据采 集系 统 J 电

30、子科技 , 2008, 21(125张超 , 郑勇 计算机 +GPS O E M 板 进行 精确时 间测 量的 研究 J 测绘通报 , 2003, (56马飞 , 诸昌铃 利用 VC +实现 GPS 数据采集 J.计算 机时代 , 2005, (67杨夏 高速图像实时存储系统研制及目标三维姿态的光 测研究 D 长沙 :国防科学技术大学 , 2002A syn chronou s s u rvey m ethod of h i gh ly prec ise dataAbstrac t :In t he survey of the optical videograph , the acqu isiti on o f synchronous da ta is very i m portant i n t he dispo sal of data af ter the event Currentl y t