|
測斜儀是一種測定鉆孔傾角、方位角和土體側移及沉降的儀器，在實際工程施工當中有著重要作用。施工中對位移的監測是研究環境影響的主要手段。目前大多數測斜儀采用傳統單片機作為控制CPU。由于傳統單片機運行速度慢，內部資源少，并且由于測斜儀數據采集系統是一種便攜式設備，一般是由蓄電池供電，因此對系統功耗有較高的要求。 針對傳統單片機在測斜領域應用的缺點和不足，本文所設計的測斜儀系統采用16位超低功耗單片機MSP430Fl48作為控制CPU，具有運行速度快、功耗低、電路簡單等優點，非常適合傾角測量等各種功耗要求較高的場合，其在低功耗方面的優越之處，是傳統單片機不可比擬的，其內部自帶的12位A／D轉換器和DMA控制單元分別用于系統采樣電路和數據傳輸部分，使得系統的硬件電路更加集成化、小型化。 1 系統硬件總體設計 測斜儀本質上是一個數據采集、處理系統。采用主從式控制結構，上位機為PC機，下位機為MSP430控制器。系統的主要部分主要由PC機、傳感器信號采樣處理電路、以TI公司MSP430F148為核心的MSP430控制器、其他外圍電路構成。圖1為該系統總體結構框圖。 1．1 電源模塊 系統采用3．3 V供電，考慮到系統低功耗的特點，要求電源具有穩壓功能，因此系統電源采用Maxim公司的MAX8902B。MAX8902B能提供0．6～5．3 V的輸出電壓，并且輸出噪聲低，能很好滿足測斜儀系統的要求。MAX8902B的工作電路為TT提供的典型工作電路。 1．2 電池電量檢測模塊 系統內部有電池電量檢測模塊，如圖2所示。通過LM339A比較蓄電池電壓和基準電壓，當蓄電池電壓過低時報警提示以防由于電量缺失造成的系統不穩定。 1．3 USB模塊 采用CP2101實現USB-UART轉換。CP2101內置有與計算機通信的USB協議，工作時在計算機上產生一個虛擬COM端口，用戶就可以按照通用串行口的控制方式使用該COM端口。通過CP210l可以簡單實現UART到USB間的橋接，從而為系統增加USB通信接口，而原來開發的串口應用程序則無需大改動。CP2l01的外圍電路非常簡單，只要接2只去耦電容即可。只需將其引腳TXD和RXD分別連接至MSP430F148的P3．5和P3．4即可實現與單片機的連接，如圖3所示。 2 系統軟件設計 軟件設計由上位機(地面監控和數據處理系統)和下位機(井下數據采集系統)2部分組成。上位機軟件主要和下位機通信，方便實現數據傳輸、處理、計算和打印等功能。下位機軟件用于配合數據的采集、存儲和傳輸。 2．1 下位機軟件設計 下位機主要完成對被測孔的即時采集和定時采集2種功能。通過定時采集某個時間段內某些時刻該孔的數據，很方便了解被測孔的土體垂直位移趨勢，為判斷建筑物的傾斜程度提供重要的參考依據。對于某些敏感區域，為了更好的了解該區域實時的垂直位移狀態，可對其進行測斜數據的實時采集。 下位機軟件主要包括傳感器采集、串口通信和主處理等模塊。其中，傳感器采集模塊主要完成對被測孔傾斜數據的采集。由單片機通過自帶的A／D采集模塊對傳感器的信號進行采集，可以同時采集8路模擬信號，并通過定時器B控制采集的頻率。也直接將A／D數據寄存器的值賦給全局變量，通過全局變量實現與主程序進行數據的交互。模擬量采集功能主要采用定時器中斷服務子程序實現，采樣頻率由定時器控制。在定時器中斷中通過設置A／D的控制寄存器啟動A／D轉換。串口通信模塊完成與上位機的通信功能，從而將采集到的數據傳送到上位機進行處理。當接收到上位機發送的命令數據時，通過中斷標志位的置位，進入中斷服務子程序中完成對命令數據的接收。當進行采集數據的發送時，通過不斷地查詢發送標志位的狀態來判斷本次字節的發送是否成功，只有當標志位改變時，再將下一個字節的數據送入發送緩沖區，從而最大程度避免發送時的數據堵塞或錯誤。主處理模塊主要完成系統的初始化和各子程序的循環協調工作。系統在初始化后進入循環處理過程，在循環過程中主處理程序通過模擬量采集模塊獲得被測孔的傾斜數據，并根據所接收到的上位機命令，在設定的時間段內或實時的將采集的某幾個孔或某幾個傳感器的數據通過串口通信模塊發送至上位機。 下位機的主程序流程如圖4所示。下位機程序上電初始化后就進入了狀態檢測階段，根據不同參變量的數值進入相應的狀態處理程序。 2．2 上位機軟件 上位機軟件的設計在整個系統的作用至關重要。為了方便井下設備與PC機的通信和數據的處理和打印，并且能很好實時監控整個系統的運行狀況，上位機程序是在Delphi平臺上利用MSComm控件完成的。上位機設定的參數主要包括定時或即時采集、孔號、通信端口、累積起點等。當系統開始采集，利用MSComm控件通過串口將這些參數按字符形式依次發送給單片機。為了正確接收和還原單片機采集的數據，并繪制出土體垂直位移深度曲線。上位機采用MSComm控件中的OnComm事件捕獲接收到的數據，并利用Delphi中的TChart控件和TlJneSeries控件將接收的數據繪制成深度曲線在PC機上顯示。 3 試驗結果分析 圖5為某一時刻經單片機采集傳感器數據并傳送到PC機顯示的土體垂直位移深度曲線。圖5直觀顯示出中本次測量中隨著深度變化，土體垂直位移的變化情況。 4 結束語 本系統利用MSP430F148單片機作為控制核心，通過自行設計的外圍電路，實現了對土基位移的測量和監控。上位機中利用MSComm控件和Delphi的繪圖功能，將土體垂直位移深度的變化情況以曲線的形式實時繪制。該系統具有成本低廉、攜帶方便、耗電量低、使用方便等優點。在現代化施工監測中具有很好的應用潛力。 |
