《电子技术》2002 年第 9 期 中国传感器 ht t p :/ / www . senso r . co m . cn (531) 19计算机应用桩基静载仪数据采集及控制系统的研制与开发武汉大学电子信息学院 (武汉 430072) 刘仲谋 吴建江 刘爱荣摘 要 文章系统地分析了基于虚拟仪器技术下的桩基静载测试仪数据采集系统的特性 。

详细论述了系统的总体设计方案 ,数据采集 、通信和控制电路的设计以及系统的可靠性设计 。

关键词 虚拟仪器 通信 可靠性虚拟仪器就是采用计算机技术 ,将传统仪器的 部分或全部功能由软件来实现 ,达到了硬件软件化 的目的 。

基于虚似仪器技术的静载仪是代表桩基静 载测试仪器的发展方向 。

采用虚似仪器技术 ,前置 机只需要对信号的采集和控制 ,而把复杂的数据处 理 、报表 、打印输出等让上位机处理 ,简化了设计过 程 ,缩短了研制周期 ,降低了设计难度 ,同时提供了 更良好的人机界面和强大的上位机操作功能 。

目 前 ,国内的静载仪的制作主要仍然采用传统的方法 , 对实验数据进行采集 、显示 、记录和判断等工作 ,但 不能现场对数据进行处理 ,得到工程所需的曲线 、图 表等资料 。

采用虚拟仪器技术能很好地实现这些功 能 ,前置机对现场数据进行采集 、控制加在桩上的压 力以及和上位机进行通信 ,上位机接收来自前置机 的十二路位移信号和两路压力信号 ,然后进行数据处理 、图表分析 ( 主要是桩基测量的总报表 、P 2S 曲 线图 、S 2lgp 曲线图和 S 2lgt 曲线图分析) 、发出控制信号等 。

下面主要对前置机的硬件设计和系统的可 靠性进行重点分析 。

1 前置机总体设计方案前置机采集各路传感器的输出信号 ,并将采集 到的数据送给上位机进行数据处理 、图表分析 、显 示 、判断 ,同时接收上位机发来的各芯片初始化指令 及控制命令 ,来初始化系统和控制加在桩上的压力 等 。

设计中采用 A T89C51 单片机加上外围电路来 构成前置机 。

前置机系统的结构框图如图 1 所示 。

包括十二路位移量采集电路 、两路压力量采集电路 、 油泵流量控制电路 、开关控制电路 、RS485 接口 、监 控电路 、键盘显示电路和电源电路 。

设计中 ,为了尽可能满足现场的各种需要 ,采用图 1 前置机系统结构框了具有两个独立的荷载测试通道 ,其一用于连接应变式压力传感器 ,另一个用于连接变送式压力传感 器 ,同时允许两个测力传感器并联使用 。

提供十二 个独立的位移测试通道 ,其中四个测量桩基沉降量 , 另八个测量锚桩上拔量 。

采用了两路各自独立的油 泵控制输出 ,油泵流量控制和开关控制输出 ,开关控 制用来直接采用高压油泵启停 ,是用于要求不高的 荷载试验 。

油泵流量控制采用了自适应控制技术 , 可自动调节高压油泵流量 ,使荷载超调量极小 ,能进 行自动补载 、自动卸载 ,且不需人工干预 。

这样 ,在 测量过程中可根据实际需要灵活设置压力 、位移传 感器的数目和通道以及控制方式 ,很好地满足了测 试现场的各种需求 。

2 数据采集 、控制和通信的实现2 . 1 十二路位移信号的采集传感器采用容栅式位移传感器 ,传感器共有四 根引线 ,分别是电源线 、地线 、数据信号线和时钟线 , 电源电压为 1 . 5V ,信号格式如图 2 所示 。

由传感器的输出信号格式可以看出 ,传感器每250 ms 输出一帧数据 ,每一帧数据包括两组 24bit 的数据 ,第一组为总位移 ,第二组为总位移减去基准零图2 容栅位移传感器输出信号格式点后的差,即相对零位的实测值。

在每次时钟引脚信号下跳变时读入数据引线上的电平,输出时时钟频率为90 k Hz ,两帧数据之间为低电平。

看到时钟信号的跳变形式,首先想到的是中断, 将时钟信号接到单片机的外中断引脚上,每次时钟跳变触发一次中断,在中断响应过程中采集数据线上的信号并保存。

然而, 由于信号时钟频率为90 k Hz ,每一位数据的有效周期仅为11 . 1μs ,而中断响应采集、保存信号的时间不能保证在11 . 1μs 内完成数据采集,故数据采集采用查询方式,即分别把时钟信号线和数据信号线接单片机的P1 . 6 、P1 . 7 引脚。

通过查询P1 . 6 引脚的状态来确定采集传感器数据引脚上的信号。

位移信号采集框图如图3 所示,十二路数据信图3 十二路位移信号采集电路框图号线和十二路时钟信号线分别通过两个模拟开关MA X307 进行通路选择,经L M339 比较器比较后得到一组串行数据,时钟信号接到A T89C51 的P1 . 6 引脚,数据信号接到P1 . 7 引脚。

单片机接收好数据后,传送给上位机处理。

模拟开关的选通地址线S1 、S2 、S3 、S4 分别由P0 口的D3 、D4 、D5 、D6 口线输出选通信号到74 HC573 锁存器进行选通控制,实现通道选择。

这是在单片机资源比较紧张的情况下,通过扩展一片74 HC573 达到扩展I/ O 口的目的,D0 、D1 、D2 口线用于油泵开关控制信号的输出。

2 . 2 两路压力信号的采集本仪器采用两路压力传感器,对基桩所承受的压力进行采集,一路使用应变式传感器(采用轮辐式测力传感器) 采集,另一路通过变送式传感器采集。

应变式传感器信号线输出一电压。

变送式传感器输出4～20 m A 的标准电流。

A/ D 转换器采用具有内带可编程运放、串行输出的高精度16 位的AD7705 。

它具有两路差分模拟输入通道。

采用MA X875 产生+ 5V 的电压, 经分压后作为AD7705 的基准参考电压。

系统时钟由单片机的AL E 直接提供,其值为1M Hz 。

应变式传感器采集的电压经滤波后直接输到AD7705 的模拟量输入通道1 。

变送式传感器采集的电流经一标准电阻,转换成电压信号滤波后传送到AD7705 的模拟量输入通道2 。

放大倍数由软件自由设定。

同时,AD7705 具有串行接口,能在仅有三线的情况下工作并且与SP I 接口标准兼容。

其编程功能是通过片内寄存器的设置来控制,对这些寄存器的读/ 写操作通过器件的串行接口来完成,实现与单片机的数据通信。

采取这种方案用一块芯片实现了两路压力量的放大、采集,同时与单片机接口电路简单,大大简化了电路,其精度也达到了系统的要求。

值得注意的是,设计中,串行通信口与看门狗电路共同使用串行接口线路,由片选CS 选择操作器件,节省了单片机接口资源,电路框图如图4 所示。

图4 两路压力信号采集电路框图2 .3 自适应油泵流量控制的实现在桩基试验中,荷载施加时由电动机油泵给千斤顶加压而进行的。

对于每一级的荷载都力求加载时间短,控载精度高,且不容许超载。

我们希望载油泵加载的开始阶段,油泵的流量应该最大,以满足快速加压的要求,而加载的结束阶段,则希望流量逐渐减小,防止出现大的荷载超调。

我们通过采用自适应控制来完成以上所要实现的功能,实时采集基桩的压力量来确定流量控制器的流量大小, 系统中采用8 位的D/ A 转换器DAC0832 (256 级) 转换输出合适电压, 经放大后得到一组电压(0～10V) 去控制流量控制器,达到了自适应控制的目的。

20 (532) 中国自动化ht t p :/ / www . auto m atio n. co m. cn 《电子技术》2002 年第9 期电路框图如图5 所示,当前置机接收到上位机图5 自适应流量控制和开关控制电路框图的控制信号后, 单片机输出一控制信号给DAC0832 ,DAC0832 完成数字量的锁存和D/ A 转换,并输出转换电平到运算放大电路。

运放电路是由MC4588 (内部具有两部分放大电路) 组成两级放大电路,第一级满量程输出电压为- 5V , 第二级满量程输出电压为10V 。

这样,可根据系统压力的大小,在MC4558 的输出端输出一组0 ～10V 的电压去控制油泵控制器。

从而完成了油泵流量的自适应控制。

2 . 4 油泵开关控制的实现本仪器同时也具备开/ 关控制接口,接到油泵控制器,通过控制输出电平的高低来直接控制固态继电器开关,装配简单、使用方便。

控制驱动电路框图如图5 所示。

上位机发出开关控制指令,前置机接收指令并由P0 口的D0 、D1 、D2 输出控制信号, 经过74 HC573 锁存后, 输出到驱动芯片MC1416 的IN H1 、IN H2 、IN H3 引脚,在MC1416 驱动后输出控制信号去控制油泵开关继电器的闭合。

Y5 和WR 信号相与或后控制74 HC573 芯片的选通引脚。

MC1416 芯片的输入为T TL 电平,输出驱动电流可达500 mA 且内部具有箝位二极管保护,非常适合于驱动去电器工作。

同时,芯片的输出与输入是反相关系, 故当D0 、D1 、D2 为低电平时, 继电器工作,每输出端口须加一上拉电阻后接到电源端。

2 . 5 串行通信接口( 485 接口)为了满足前置机与上位机之间的远距离通信需要,设计了485 接口与单片机通信,485 接口是差模传输,抗干扰能力强,适于远距离的信号传输。

转换器采用MA X491 ,其内部包括一个驱动器和一个接收器。

R E为接收器输入允许端,接地;D E 为驱动器输出允许端,接+ 5V 的电压。

这样,数据与单片机的传送处于常开的状态。

通信采用串行通信方式1 , 波特率设为4800bit / s , 波特率误差为1 . 5 % 。

为消除各种干扰和线路特性阻抗匹配, 在485 网络传输线的始端和末端各接一个120Ω的匹配电阻。

电平转换器使用MA X232 ,把MA X491 电路的T T L 电平转换成计算机COM 口通用的RS232 电平。

2 . 6 其他电路显示接口采用字符式L CD 液晶显示模块。

使能端E 接Y4 ,分别由P1 . 0 、P1 . 1 控制寄存器的选择和对L CD 显示模块的读/ 写操作。

采用模块方式,电路简单,操作简易。

键盘采用单键控制,接单片机的P3 . 2 。

主要适用于选择显示12 路位移传感器的实时数据、桩基的本级沉降量、桩基总沉降量和静载压力。

显示模块有按键显示模式和循环显示模式两种,可由上位机设定。

电源采用DC/ DC 转化模块,具有电压稳定,精度高的优点。

由上位机提供一个+ 12V 的电源,经DC/ DC 转换模块N R12 S24/ 40 和N R12D12 S5 得到一组+ 24V 、+ 12V 、- 12V 和+ 5V 的电压源。

3 系统可靠性设计系统的可靠性当然首先建立在系统各环节的可靠基础之上,既包括硬件设计也包括软件设计,下面分别论述。

3 . 1 硬件可靠性设计在系统中,为保证系统稳定而可靠的运行,使系统尽快摆脱因干扰而陷入的死循环,配置了看门狗监控电路。