桩基静载荷无线测控系统设计

2013-03-20贾君瑞徐阳陈华

机床与液压 2013年8期

贾君瑞，徐阳，陈华

(1.南通航运职业技术学院机电系，江苏南通226010;2.南通航运职业技术学院管理信息系，江苏南通226010;3.南通航运职业技术学院教务处，江苏南通226010)

静载荷试验作为检验单桩竖向极限承载力最直接、有效的手段，已经得到了各国工程界的普遍认可。我国建筑行业规范也规定对于以桩基作为基础形式的一级建筑和一些重要的二级建筑必须用静载荷试验来确定其单桩竖向承载力，以此作为设计和施工依据[1]。

由于在桩基施工现场电源一般不太稳定，各种重型设备引起的干扰也比较大，作者针对该问题设计了一个无线传输桩基静载荷试验数据的测控系统。此系统能够实现数据采集箱与上位机之间的无线数据传输，实现对各个采集模块的数据进行分析、存储、管理控制等功能，系统结构合理、可靠性高。

1 测控系统结构与功能

1.1 测控系统结构

该系统主要由数据数据采集箱、上位机、无线收发模块及接收机组成，结构如图1所示。数据采集箱由应力、位移、振弦采集模块、液压控制模块和通信模块组成。在数据采集箱中，传感器信号经过信号处理、A/D转换后通过底板传送到主控卡，主控卡将接收到的数据通过无线传输模块发送到接收机，接收机再与上位机进行数据交换，从而完成数据采集过程[2]。

图1 系统结构框图

1.2 测控系统功能

根据桩基静载荷测试的要求，该系统能够完成以下主要功能:

(1)所设计的模块分为采集模块和控制模块。采集模块包括应力传感器模块、位移传感器模块、振弦式传感器模块、232/485 通信模块，每个模块有8个数据采集通道;控制模块为液压控制模块。模块安装更换快捷、方便。

(2)数据采集箱上电后能够自动扫描各个模块卡的类型。

(3)数据采集机箱具有采集、存储、数据传输功能。为了保证系统的可靠性，与上位机的数据传输同时有无线数据传输和232/485 两种通信类型。

(4)无线数据传输距离500 m以上(可视距离)。

(5)上位机软件功能包括各个采集箱通道配置、数据监控、液压控制、试验控制、数据文件存储等。

为提高该无线测控系统的抗干扰性能，系统各个智能采集单元相互电气隔离，仅通过485 进行数字传输，提高了其抗干扰能力。在元器件的选择上，关键器件如信号调理芯片、数据处理芯片及其传感器的接插件等均采用进口器件，保证了信号接触可靠。在采集箱主控单元中，采集到的传感器信号在无线数据传输的同时也存储在主控单元中，如果无线数据传输中断，用户可以通过串口或485 总线将数据读至上位机中，系统可靠性将大大增强。

2 系统硬件设计

2.1 主控卡

主控卡为数据采集箱的核心，主要功能为与上位机通信以及与智能数据测控单元通信，主控卡的结构如图2所示。

图2 主控卡结构

主控卡通过底板供电，为了抗干扰、消除模块之间电源的相互影响，每个模块内部对+5 V 电源采用DC/DC 隔离。主控卡通过CAN接口芯片与其他各个模块进行数据通信，实现各个模块的配置和传感器数据的读取。从各个模块读取来的数据通过无线数传模块发送给上位机，同时保存在数据存储区中。如果主控卡和上位机传输数据失败，用户可以通过232接口把数据存储区内的数据读走，数据存储区内的数据掉电后可以保存。无线数传模块采用FSK 半双工模式，波特率9 600，最大传输距离800 m (可视距离)。

2.2 应力采集模块

应力采集模块结构示意图如图3所示。该模块共有9个输入通道，其中8个通道为传感器输入通道，1个通道为温度补偿输入通道。

图3 应力采集模块结构

输入信号的类型(1/4 桥、半桥、全桥)由用户通过上位机进行配置后通过无线通信对应力采集模块进行设置，MCU 对8路输入信号轮流进行扫描，采用高精度仪用放大器，增益可以通过MCU 进行控制，提高系统的采用精度，8个通道的采用数据以报文的形式通过CAN 总线传输至主控单元。

2.3 位移采集模块

位移采集的结构与应力采集模块的结构相同，该模块共有9个输入通道，其中8个通道为传感器输入通道，1个通道为补偿输入通道。

2.4 振弦采集模块

振弦采集模块结构图如图4所示，该模块共8个输入通道。为了保证8路振弦式传感器信号同相位采集，激振电路对8路信号同时激振，8路拾弦信号分别响应各个输入通道传感器的值并经保持器保持信号，MCU 通过多通道选择器对8路输入信号轮循采集，采集到的8路数据以报文的形式经CAN 总线传输至主控单元。

图4 振弦采集模块

2.5 232 通信模块

232 通信模块主要用于采集箱与其他仪器的通信，每个模块上共4路通信接口，以便于与其他仪器进行通信。

2.6 液压控制模块

液压控制模块控制对桩基的施加载荷，包括1路模拟量输出，1路载荷传感器输入和4路电磁阀控制信号输出。MCU根据用户设定的载荷值以及反馈的载荷传感器的值进行PID 闭环控制，系统结构如图5所示。

图5 液压控制模块

3 系统软件程序设计

3.1 主控卡程序设计

系统软件设计包括主控卡，应力、位移、振弦采集模块，液压控制模块等程序设计，而主控卡的程序设计是该系统的核心，其余各模块主要完成向主控卡输入、输出数据，程序设计比较简单，所以这里重点阐述主控卡的程序设计流程，如图6所示。

图6 主控卡程序设计流程图

3.2 无线数据传输接受、发送程序设计

无线通信模块采用ZigBee芯片CC2420，CC2420无线射频芯片是Chipcon 公司开发的符合ZigBee 标准的2.4 GHz 射频芯片[3]。Zigbee 采用IEEE802.15.4作为其底层的物理层和媒体接入层标准，定义了Zig-Bee 网络层、应用支持子层和应用层规范[4－5]。它是一种近距离、低功耗、低成本的无线网络技术，主要用于近距离传输，在系统中用于无线接收、发送传输数据，程序流程图7所示。

当需要发送数据时，触发中断后首先关中断保护现场[6]，然后调用中断处理程序，在清空TX_FIFO后，调用COPY_FROM_USE_函数，将接收结果复制到用户空间，发送数据后经确认恢复现场开中断。接收数据时，同样首先关中断保护现场，然后判断RSS_FIFO是否溢出，没有溢出则判断数据是否正确，溢出则返回，如果判断正确则发送确认帧，并恢复现场开中断，否则请求重发[7－8]。