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引言 錨固技術是巖土加固工程的主要方法，目前己廣泛應用于礦山、鐵路、水利水電、地質等系統(tǒng)的隧道、邊坡、山體加固等工程中。但巖土加固工程屬隱蔽工程，在施工過程中的管理和監(jiān)督較為困難，目前國內(nèi)在驗收時無法對錨桿的嵌入深度、錨桿注漿量和注漿壓力等重要工程質量參數(shù)進行檢測，無法對工程質量進行客觀的評價。為了解決質量驗收檢測問題，本文提出對錨桿注漿工藝在線檢測記錄和后續(xù)驗收讀取的有源電子標簽解決方案。 1 有源電子標簽的硬件設計 有源電子標簽主要由控制電路、射頻電路以及天線和電池組成。有源電子標簽設計的難點在于低功耗和防碰撞算法的實現(xiàn)。由于有源電子標簽需要內(nèi)置電池給控制電路和射頻電路供電，為了達到延長使用壽命的目的，它對低功耗要求非常高，所以控制芯片和射頻芯片的選型至關重要。本設計中，控制芯片選用Atmel公司的低功耗單片機ATmega48，射頻芯片選用Hope公司的RFM12S低功耗射頻芯片。 1．1 ATmega48單片機 Atreel公司是生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導體制造公司。在單片機方面，Atmel公司有基于8051內(nèi)核、基于 AVR內(nèi)核和基于ARM內(nèi)核的三大系列單片機產(chǎn)品。Atmel公司在其單片機產(chǎn)品中，融入了先進的EEPROM電可擦除和FlashROM閃存技術，使得該公司的單片機具備了優(yōu)秀的品質，在結構、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。 ATmega48是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。其主要性能指標如下： ◆先進的RISC結構； ◆4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash； ◆256字節(jié)的EEPROM擦寫壽命為100 000次； ◆工作電壓為1．8～5．5 V； ◆工作溫度為-40～85℃； ◆極低功耗(正常模式時1 MHz、1．8 V下為300μA，掉電模式時1．8 V下為1．5 μA)。 1．2 RFM12S低功耗射頻芯片 RFM12S是一款低成本的ISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段FSK收發(fā)模塊，其核心電路采用的是帶鎖相環(huán)(PLL)技術的RF12射頻收發(fā)芯片。 RFM12S可工作在315／433／868／915 MHz四個頻段，并符合FCC和ETSI要求。它提供一個SPI接口，可由MCU通過軟件設置各種射頻參數(shù)和其他輔助功能；采用2．2～5．4 V供電，靜態(tài)電流低至0．3μA。其與ATmega48的連接電路如圖1所示。 
2 有源電子標簽的軟件設計 RFM12S無線收發(fā)模塊采用SPI(串行外圍設備接口)接口方式傳輸數(shù)據(jù)。當片選信號nSEL為低時，數(shù)據(jù)在每個時鐘的上升沿通過SDI引腳被送入 RFM12S的內(nèi)部寄存器。要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先發(fā)送同步頭，然后再發(fā)送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過檢測SDO引腳來判斷上一數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢；上一數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，SDO引腳會輸出一個高電平信號，這時可以繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。要接收數(shù)據(jù)，首先無線模塊接收到同步頭， nIRQ引腳將被拉低通知單片機接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)將被放人無線模塊的接收緩沖區(qū)中等待單片機讀取。整個接收過程中，單片機都是通過判斷nIRQ的低電平信號來接收數(shù)據(jù)的，接收完所有數(shù)據(jù)后關閉接收寄存器，然后對數(shù)據(jù)作進一步的處理。 RFM12S無線收發(fā)模塊的初始化程序如下：
RFM12S無線模塊發(fā)送流程如圖2所示，無線模塊接收流程如圖3所示。
3 低功耗防沖突算法的實現(xiàn) 目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA，主要有兩大類：基于樹的算法和基于 Aloha的算法。Aloha算法根據(jù)讀寫器檢測接收到的信號來判斷有無沖突。一旦發(fā)生沖突，讀寫器就發(fā)送命令讓標簽停止發(fā)送，隨機等待一段時間后再重新發(fā)送以減少沖突。純Aloha算法存在的一個嚴重問題是存在錯誤判斷，即對同一個標簽，如果連續(xù)多次發(fā)生沖突，將導致讀寫器出現(xiàn)錯誤判斷，認為這個標簽不在自己的作用范圍。 本文設計的有源電子標簽采用雙工工作模式。這種工作方式靈活，既可自行發(fā)送信息，又可由讀寫器決定它什么時候發(fā)送信息。 具體預約延時防沖突算法如下：主機廣播通知現(xiàn)在開始讀取電子標簽數(shù)據(jù)，從第一個標簽號x開始，其他標簽號根據(jù)各自的ID號計算相應的休眠時間。假設每個標簽一次通信需要的時間為T，預約延時間隔設為nT，則第m號標簽的休眠時間可計算為t=(m-x)·nT。當休眠時間到時，自動上傳數(shù)據(jù)給主機。如果收到主機回應消息證明數(shù)據(jù)上傳無誤，則進入休眠，這個休眠時間根據(jù)實際情況設定；如果未收到主機回應消息，則再次上傳。在nT時間內(nèi)未能成功上傳的標簽也進入休眠，同時由主機標識該標簽，留作后續(xù)處理。 預約延時算法示意圖如圖4所示。
預約延時算法主機流程如圖5(a)所示，從機流程如圖5(b)所示。
4 總結 本文設計的這種有源電子標簽外形美觀，功耗低，防碰撞性能良好，識別距離為100 m以上；可以應用于巖土加固工程中錨桿注漿現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集記錄，也可用于車輛出入信息采集與控制，以及地下礦井人員定位等系統(tǒng)。 參考文獻 1. 高海生.楊文煥 單片機應用技術大全 1996 2. Atmel公司 cn_mega4888168.pdf 3. Hope公司 RF12.pdf 4. Hope公司 RFM12.pdf 作者：河南科技大學 阮文輝 寧永海 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》 2009 （7） |
