樁基靜載荷無線測控系統(tǒng)設(shè)計

賈君瑞，徐陽，陳華

(1.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，江蘇南通226010;2.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理信息系，江蘇南通226010;3.南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，江蘇南通226010)

靜載荷試驗作為檢驗單樁豎向極限承載力最直接、有效的手段，已經(jīng)得到了各國工程界的普遍認(rèn)可。我國建筑行業(yè)規(guī)范也規(guī)定對于以樁基作為基礎(chǔ)形式的一級建筑和一些重要的二級建筑必須用靜載荷試驗來確定其單樁豎向承載力，以此作為設(shè)計和施工依據(jù)[1]。

由于在樁基施工現(xiàn)場電源一般不太穩(wěn)定，各種重型設(shè)備引起的干擾也比較大，作者針對該問題設(shè)計了一個無線傳輸樁基靜載荷試驗數(shù)據(jù)的測控系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集箱與上位機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對各個采集模塊的數(shù)據(jù)進行分析、存儲、管理控制等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、可靠性高。

1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集箱、上位機、無線收發(fā)模塊及接收機組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集箱由應(yīng)力、位移、振弦采集模塊、液壓控制模塊和通信模塊組成。在數(shù)據(jù)采集箱中，傳感器信號經(jīng)過信號處理、A/D轉(zhuǎn)換后通過底板傳送到主控卡，主控卡將接收到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送到接收機，接收機再與上位機進行數(shù)據(jù)交換，從而完成數(shù)據(jù)采集過程[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 測控系統(tǒng)功能

根據(jù)樁基靜載荷測試的要求，該系統(tǒng)能夠完成以下主要功能:

(1)所設(shè)計的模塊分為采集模塊和控制模塊。采集模塊包括應(yīng)力傳感器模塊、位移傳感器模塊、振弦式傳感器模塊、232/485 通信模塊，每個模塊有8個數(shù)據(jù)采集通道;控制模塊為液壓控制模塊。模塊安裝更換快捷、方便。

(2)數(shù)據(jù)采集箱上電后能夠自動掃描各個模塊卡的類型。

(3)數(shù)據(jù)采集機箱具有采集、存儲、數(shù)據(jù)傳輸功能。為了保證系統(tǒng)的可靠性，與上位機的數(shù)據(jù)傳輸同時有無線數(shù)據(jù)傳輸和232/485 兩種通信類型。

(4)無線數(shù)據(jù)傳輸距離500 m以上(可視距離)。

(5)上位機軟件功能包括各個采集箱通道配置、數(shù)據(jù)監(jiān)控、液壓控制、試驗控制、數(shù)據(jù)文件存儲等。

為提高該無線測控系統(tǒng)的抗干擾性能，系統(tǒng)各個智能采集單元相互電氣隔離，僅通過485 進行數(shù)字傳輸，提高了其抗干擾能力。在元器件的選擇上，關(guān)鍵器件如信號調(diào)理芯片、數(shù)據(jù)處理芯片及其傳感器的接插件等均采用進口器件，保證了信號接觸可靠。在采集箱主控單元中，采集到的傳感器信號在無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r也存儲在主控單元中，如果無線數(shù)據(jù)傳輸中斷，用戶可以通過串口或485 總線將數(shù)據(jù)讀至上位機中，系統(tǒng)可靠性將大大增強。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控卡

主控卡為數(shù)據(jù)采集箱的核心，主要功能為與上位機通信以及與智能數(shù)據(jù)測控單元通信，主控卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控卡結(jié)構(gòu)

主控卡通過底板供電，為了抗干擾、消除模塊之間電源的相互影響，每個模塊內(nèi)部對+5 V 電源采用DC/DC 隔離。主控卡通過CAN接口芯片與其他各個模塊進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)各個模塊的配置和傳感器數(shù)據(jù)的讀取。從各個模塊讀取來的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給上位機，同時保存在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中。如果主控卡和上位機傳輸數(shù)據(jù)失敗，用戶可以通過232接口把數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀走，數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)掉電后可以保存。無線數(shù)傳模塊采用FSK 半雙工模式，波特率9 600，最大傳輸距離800 m (可視距離)。

2.2 應(yīng)力采集模塊

應(yīng)力采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。該模塊共有9個輸入通道，其中8個通道為傳感器輸入通道，1個通道為溫度補償輸入通道。

圖3 應(yīng)力采集模塊結(jié)構(gòu)

輸入信號的類型(1/4 橋、半橋、全橋)由用戶通過上位機進行配置后通過無線通信對應(yīng)力采集模塊進行設(shè)置，MCU 對8路輸入信號輪流進行掃描，采用高精度儀用放大器，增益可以通過MCU 進行控制，提高系統(tǒng)的采用精度，8個通道的采用數(shù)據(jù)以報文的形式通過CAN 總線傳輸至主控單元。

2.3 位移采集模塊

位移采集的結(jié)構(gòu)與應(yīng)力采集模塊的結(jié)構(gòu)相同，該模塊共有9個輸入通道，其中8個通道為傳感器輸入通道，1個通道為補償輸入通道。

2.4 振弦采集模塊

振弦采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，該模塊共8個輸入通道。為了保證8路振弦式傳感器信號同相位采集，激振電路對8路信號同時激振，8路拾弦信號分別響應(yīng)各個輸入通道傳感器的值并經(jīng)保持器保持信號，MCU 通過多通道選擇器對8路輸入信號輪循采集，采集到的8路數(shù)據(jù)以報文的形式經(jīng)CAN 總線傳輸至主控單元。

圖4 振弦采集模塊

2.5 232 通信模塊

232 通信模塊主要用于采集箱與其他儀器的通信，每個模塊上共4路通信接口，以便于與其他儀器進行通信。

2.6 液壓控制模塊

液壓控制模塊控制對樁基的施加載荷，包括1路模擬量輸出，1路載荷傳感器輸入和4路電磁閥控制信號輸出。MCU根據(jù)用戶設(shè)定的載荷值以及反饋的載荷傳感器的值進行PID 閉環(huán)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 液壓控制模塊

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 主控卡程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主控卡，應(yīng)力、位移、振弦采集模塊，液壓控制模塊等程序設(shè)計，而主控卡的程序設(shè)計是該系統(tǒng)的核心，其余各模塊主要完成向主控卡輸入、輸出數(shù)據(jù)，程序設(shè)計比較簡單，所以這里重點闡述主控卡的程序設(shè)計流程，如圖6所示。

圖6 主控卡程序設(shè)計流程圖

3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸接受、發(fā)送程序設(shè)計

無線通信模塊采用ZigBee芯片CC2420，CC2420無線射頻芯片是Chipcon 公司開發(fā)的符合ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz 射頻芯片[3]。Zigbee 采用IEEE802.15.4作為其底層的物理層和媒體接入層標(biāo)準(zhǔn)，定義了Zig-Bee 網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和應(yīng)用層規(guī)范[4－5]。它是一種近距離、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離傳輸，在系統(tǒng)中用于無線接收、發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)，程序流程圖7所示。

當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，觸發(fā)中斷后首先關(guān)中斷保護現(xiàn)場[6]，然后調(diào)用中斷處理程序，在清空TX_FIFO后，調(diào)用COPY_FROM_USE_函數(shù)，將接收結(jié)果復(fù)制到用戶空間，發(fā)送數(shù)據(jù)后經(jīng)確認(rèn)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷。接收數(shù)據(jù)時，同樣首先關(guān)中斷保護現(xiàn)場，然后判斷RSS_FIFO是否溢出，沒有溢出則判斷數(shù)據(jù)是否正確，溢出則返回，如果判斷正確則發(fā)送確認(rèn)幀，并恢復(fù)現(xiàn)場開中斷，否則請求重發(fā)[7－8]。

圖7 接受、發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用得越來越廣泛。作者所設(shè)計的樁基靜載荷測控系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，已在多個工程檢測中得到應(yīng)用。實際應(yīng)用表明:系統(tǒng)運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理，改善了樁基測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)控性、穩(wěn)定性、抗干擾性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，能夠滿足樁基的靜載荷檢驗工作要求。

【1】趙翔，柳祖亭，駱英.加載反力裝置對樁基靜載荷試驗精度的影響[J].江蘇理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2001，22(5):77－81.

【2】劉彩麗，張為公，趙馬泉.基于USB的樁基靜載荷無線測控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(23):216－218.

【3】繆曉中.基于C8051F020與K9F1G08 便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控卡的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2010，29(12):26－30.

【4】楊樂，高超.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動氣象站節(jié)點的設(shè)計[J].機床與液壓，2011，39(20):91－93.

【5】劉志遠(yuǎn)，姜晶，趙佳龍，等.小型振動電容式靜電傳感器的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(11):13－15.

【6】鄒宇，聶明新，王承.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多點溫度測控系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2011，33(7):58－61.

【7】王海波，崔吉龍，張嵐，等.海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機夾緊力的研究[J].機床與液壓，2010，38(15):24－27.

【8】王海波，田馳，張嵐，等.海洋廢棄平臺樁基拆除繩鋸機夾緊力的阻抗控制策略研究[J].機床與液壓，2012，40(3):14－18.