基于STM32的簡易靜力觸探采集系統(tǒng)設(shè)計

張煜葵，吳 濤，周 穎，高 嘉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動化學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)程不斷加快，地質(zhì)勘探和巖土分析的需求不斷上升。雖然社會基礎(chǔ)建設(shè)能力處于領(lǐng)先地位，但地質(zhì)勘探和巖土分析技術(shù)較為落后，缺乏創(chuàng)新。巖體分析過程主要存在設(shè)備擾動大、執(zhí)行效率低、測量結(jié)果不準(zhǔn)確、人工成本高，成套設(shè)施不完善等弊端。為此，本文將設(shè)計研究基于STM32芯片[1-2]的靜力觸探采集系統(tǒng)來改善這些不足。

靜力觸探實驗(cone penetration test, CPT)是將一定規(guī)格的圓錐形探頭借助機械或液壓設(shè)備按照一定的速率(一般為2 cm/s)勻速貫入土中，并測量錐尖阻力qc，側(cè)壁摩擦力fs和孔隙水壓力u2隨深度變化的一項非常重要的原位測試方法[3-4]。本文設(shè)計研究了一個多功能靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密合理、電路設(shè)計安全可靠、測試精度高、重復(fù)性好。此外，系統(tǒng)有效降低了勘探成本，為土木工程和地質(zhì)工程勘探實踐提供了強有力的測試工具。

1 土類劃分原理

靜力觸探劃分土層和土類的方法主要有3種:目測經(jīng)驗法、統(tǒng)計分析法和分類圖法。其中最常用的是分類圖法。分類圖法采用雙橋探頭。當(dāng)探測過程中遇到相同的錐尖阻力，可以再用側(cè)壁摩擦力加以區(qū)分土類，因為不同土的錐尖阻力相同時，側(cè)壁摩擦力會不同；反之側(cè)壁摩擦力相同時，錐尖阻力不同。觸探參數(shù)與土類的關(guān)系受多種因素的相互制約，使觸探參數(shù)交替重疊，但在復(fù)雜的關(guān)系中還是可以找出主要的趨勢和規(guī)律。此時，摩阻比是一個很重要的判別值，用它不但可以劃分出粘性土和砂類土這兩大類，還可以劃分出兩大類之間的過渡帶即粉土等，表1是常用的劃分依據(jù)。可以看出，根據(jù)摩阻比劃分時，土類有交叉部分，此時，需結(jié)合模糊數(shù)學(xué)建立模糊元素陣，構(gòu)造權(quán)重矩陣，計算出不同土壤類的比重。

表1 土類劃分依據(jù)

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)和思路

靜力觸探采集系統(tǒng)由靜力觸探探頭、打壓設(shè)備、基帶板、上位機4個部分組成[5-6]。靜力觸探探頭內(nèi)部裝有若干傳感器來采集相關(guān)數(shù)據(jù)(傳感器部分)，打壓設(shè)備提供探頭貫入土壤中所需要的力，基帶板將靜力觸探探頭采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(數(shù)模轉(zhuǎn)換部分)，上位機(中央處理器與接口部分)則與基帶板進(jìn)行通訊，將采集到的數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲。本文重點研究基帶板與上位機的協(xié)同工作。其中所涉及的硬件總體框架如圖1所示。

圖1 硬件總體框架圖

3 基帶板設(shè)計和研發(fā)

基帶板主要完成傳感器信號采集、數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)測探頭傾斜、解析上位機指令和提供實時時鐘信號這5個功能。為了使硬件系統(tǒng)靈活可靠，并且便于擴展和維護(hù)，我們采用了模塊化設(shè)計，將各個模塊通過MCU(Microcontroller Unit-微型控制單元)聯(lián)系在一起。為了保證多個傳感器能同時完成多個數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸和通訊，主控芯片需要選擇主頻高，有內(nèi)置存儲單元的芯片。本文選擇了有較好性能的STM32F103芯片和一些外圍芯片構(gòu)成基帶板。基帶板的整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 基帶板整體設(shè)計

基帶板系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：MCU、AD7799采集電路、電源電路、RS485、FLASH、ADLX345、DS3231和DS18B20。MCU類比于整個系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)運行。AD7799采集電路是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理。電源電路是系統(tǒng)的心臟，將輸入電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓和3.3 V電壓以供各個芯片正常工作。通訊部分我們采用RS485協(xié)議，負(fù)責(zé)下位機與上位機實時通訊。FLASH負(fù)責(zé)存儲采集到的數(shù)據(jù)。ADLX345負(fù)責(zé)采集探頭的傾斜角度。DS3231負(fù)責(zé)提供實時時鐘。DS18B20負(fù)責(zé)采集土壤溫度，且后期可對靜探溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫差補償校正。基帶板整體工作軟件流程如圖3所示。

圖3 基帶板整體工作軟件流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集部分是整個系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集的精度直接決定了整個實驗的效果。對于數(shù)據(jù)采集芯片，我們選擇低功耗、低噪音、高精度的AD采樣芯片AD7799。AD7799芯片內(nèi)部主要由AD轉(zhuǎn)換器、時鐘產(chǎn)生器、串行通信等模塊構(gòu)成[7]。我們選用了ADR4525基準(zhǔn)壓芯片作為AD7799的基準(zhǔn)源，該芯片的誤差在±0.02%范圍內(nèi)。AD7799和ADR4525的硬件電路圖分別如圖4和圖5所示。在數(shù)據(jù)采樣過程中，為了提高采樣結(jié)果精度，將每一路數(shù)據(jù)分別采集15次，然后進(jìn)行中值濾波[8]操作。經(jīng)過分析，得到有效數(shù)據(jù)的時間間隔為0.4 s。

圖4 AD7799外圍電路圖

圖5 ADR4525外圍電路圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

靜力觸探系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)不經(jīng)過上位機，先存儲在本地存儲器介質(zhì)中。由于靜力觸探系統(tǒng)探頭內(nèi)管直徑較小，電路板設(shè)計寬度需小于12 mm。并且數(shù)據(jù)存儲不采用SD卡的方式，那么我們選用外部FLASH芯片W25Q128。W25Q128芯片具有16 Mbyte的存儲空間，編程/擦除次數(shù)可超過100 000次。經(jīng)過測試，W25Q128芯片可以存儲大約34小時的靜力觸探數(shù)據(jù)，而一次靜力觸探實驗大約持續(xù)5到6個小時，則該芯片完全滿足實驗需求。數(shù)據(jù)存儲采取分組存儲方式。在程序中需要人為添加頭指針和尾指針。這些指針數(shù)據(jù)存儲在芯片內(nèi)部的FLASH空間中。在上位機讀取數(shù)據(jù)時，可以選擇讀取指定編號組的數(shù)據(jù)。W25Q128外圍電路圖如圖6所示。

圖6 W25Q128外圍電路圖

3.3 探頭傾斜管控模塊設(shè)計

將靜力觸探探頭貫入土中時，需要實時監(jiān)控探頭的傾斜角度，并調(diào)整力的方向，以保證探頭垂直貫入土，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。因此，我們選用了ADXL345芯片。電容式三軸加速度計ADXL345分辨率較高(13位)、可以測量的加速度范圍較廣(±16 g)，且測量的數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制補碼格式輸出。此外，ADXL345的分辨率為3.9 mg/LSB，能夠測量1°以內(nèi)的角度變化。ADXL345還可以根據(jù)采樣速率的不同自動調(diào)節(jié)功耗，能有效的控制能量損耗，延長系統(tǒng)在野外工作的時長[9]。

靜態(tài)角度測量原理是通過測量三維坐標(biāo)軸中的重力加速度分量值，經(jīng)過一定公式的推導(dǎo)，計算得到角度傳感器相對于轉(zhuǎn)動初始位置的最終值。當(dāng)傳感器處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時，如圖7所示，三維坐標(biāo)系中重力加速度分量值的大小分別為Gx=0,Gy=0,Gz=1g。當(dāng)傳感器位置變化到圖8所示的運動狀態(tài)位置時，重力分量將在3個軸上變化，這時可以得到3個軸重力方向的夾角。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 圖8 運動狀態(tài)

ADXL345的電路如圖9所示。ADXL345芯片可以采用SPI或IIC與單片機通訊。為了節(jié)省IO口，我們選用IIC。IIC為2線制，我們將IIC_SDA和IIC_SCL分別與單片機PF0和PF1相連。

圖9 ADXL345Z外圍電路圖

3.4 基帶板通訊模塊設(shè)計

采用RS485方式與上位機進(jìn)行通訊。RS485總線傳輸速率有多種選擇，可以靈活的適應(yīng)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)。并且RS485只需要1根使能信號線，2根數(shù)據(jù)信號線就可以完成信息傳輸。我們選用75LBC184芯片轉(zhuǎn)換電平，該芯片可以放10 kV靜電。75LBC184的外圍電路如圖10所示。

圖10 75LCB184外圍電路圖

3.5 時間同步模塊設(shè)計

采集的每組數(shù)據(jù)在存儲時需要添加一個時間戳，我們采用DS3231芯片來提供實時時鐘。DS3231時鐘1年的誤差在2 s以內(nèi)。DS3231是低成本、高精度的I2C實時時鐘，內(nèi)部集成了溫度補償晶體振蕩器，可以減小溫度對該器件的影響。同時，DS3231芯片有獨立的電池輸入端，即使在下位機斷電的情況下，仍然可以由電池單獨給該芯片供電來保證時間的準(zhǔn)確。DS3231芯片的外圍電路圖如圖11所示。

圖11 DS3231外圍電路圖

3.6 數(shù)字溫控傳感模塊設(shè)計

我們在室內(nèi)進(jìn)行探頭標(biāo)定的工作時，環(huán)境溫度通常在25 ℃左右。但是巖土勘察現(xiàn)場內(nèi)的溫度與室溫有所不同，應(yīng)變片會受到溫度的影響，導(dǎo)致其比例系數(shù)與實驗室得到的標(biāo)定系數(shù)有一定的誤差。為了補償這個誤差，我們在最后處理數(shù)據(jù)時做了溫度補償。靜力觸探系統(tǒng)選用了DS18B20芯片來采集溫度。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的精度最大可達(dá)12BIT，采集范圍為-55～+125 ℃。DS18B20與MCU通訊只需要一根通訊線[11]，這也極大的節(jié)省了IO口。DS18B20外圍電路如圖12所示。

圖12 DS18B20外圍電路圖

4 上位機設(shè)計和功能研發(fā)

靜力觸探實驗數(shù)據(jù)管理和計算分析系統(tǒng)[12]是基于Qt圖形界面框架和Access數(shù)據(jù)庫，采用C++語言開發(fā)實現(xiàn)的。上位機主界面如圖13所示。該軟件可以實現(xiàn)RTC時鐘設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、文件讀取等功能。

圖13 上位機主界面

4.1 RTC時鐘

在“脫機模式”工作狀態(tài)下，點擊“RTC時鐘”按鈕發(fā)送當(dāng)前系統(tǒng)時間給下位機，當(dāng)下位機設(shè)置成功后返回命令，消息面板提示設(shè)置成功。如圖14所示。

圖14 RTC時鐘設(shè)置

4.2 參數(shù)設(shè)置

下位機參數(shù)可分為設(shè)置頻率較高的采集參數(shù)以及設(shè)置頻率不高的硬件系數(shù)兩部分。在“脫機模式”工作狀態(tài)下“更新設(shè)置”按鈕有效，點擊則彈出對話框選擇要設(shè)置的參數(shù)類型，如圖15所示。連續(xù)點擊彈出對話框的“確定”按鈕，則會向下位機發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，設(shè)置成功則會在消息面板中提示。

圖15 參數(shù)設(shè)置

圖16為硬件系數(shù)設(shè)置對話框，其中K1、K2、K3、K4分別為不同類型承載力的特征值系數(shù)，例如F=K1*(f1-f2)。圖17為采集參數(shù)設(shè)置。

圖16 硬件設(shè)置選擇

圖17 采集參數(shù)設(shè)置

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

串口打開之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)以及命令通用協(xié)議為“起始符+長度+命令標(biāo)識+數(shù)據(jù)+校驗+結(jié)束符”。當(dāng)接收到下位機的數(shù)據(jù)時，會更新消息面板并按要求繪制相應(yīng)圖形。示例波形如圖18所示。

圖18 數(shù)據(jù)傳輸

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 探頭標(biāo)定

由于探頭的歸零和重復(fù)性誤差會影響探頭的測量精度，因此在靜力觸探實驗中，靜力觸探探頭每隔一個月都需要進(jìn)行標(biāo)定。探頭標(biāo)定過程即通過專業(yè)設(shè)備，給探頭施加連續(xù)的壓力，同時采集探頭的電壓值，以此來計算探頭采集數(shù)據(jù)的偏差性。某次使用本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計算，該系統(tǒng)非線性誤差為0.114%，重復(fù)性誤差為0.109 3%，遲滯誤差為0.049 7%，歸零誤差為0.030%。以上4項指標(biāo)均滿足行業(yè)需求。同時也可以輔以探頭的各方面維修，來確保探頭測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。可以看出該靜力觸探系統(tǒng)精度高，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)，有潛力為工程前期分析提供支撐。

表2 探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)

5.2 工程實例分析

廣州市南沙區(qū)某次靜力觸探實驗數(shù)據(jù)如圖19所示。

圖19 錐尖阻力及摩阻比深度變換曲線

本次實驗的土層是人工覆蓋了1.5米細(xì)砂層后的淤泥土層。本次實驗共采集每隔10 cm做一次采樣，共獲得有效數(shù)據(jù)111個。根據(jù)第一章分類圖法劃分土類后，得到的結(jié)果如表3所示。表中的數(shù)據(jù)表示的是，土層首先經(jīng)過力學(xué)分成后，數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理，各力學(xué)分層區(qū)段中，該區(qū)域?qū)?yīng)各類土的隸屬度。可以看出比較符合工程實際。

表3 隸屬表

6 結(jié)束語

從目前初步的使用情況來看，該靜力觸探系統(tǒng)能夠完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲轉(zhuǎn)發(fā)，且該系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確、土體擾動小、數(shù)據(jù)連續(xù)性好，采集的壓力值誤差在1%以內(nèi)。

通過基帶板的設(shè)計，我們可以看出模塊化設(shè)計的優(yōu)勢。將數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，探頭傾斜管控模塊，基帶板通訊模塊，時間同步模塊和數(shù)字溫控傳感模塊通過MCU相連，保證了傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸和通訊的高效。

通過上位機界面的設(shè)計，提高了人機交互的可行性。通過RTC時鐘界面、參數(shù)設(shè)置界面和數(shù)據(jù)傳輸界面設(shè)計，使參數(shù)給定更加便捷。

對于高性能、低成本的STM32與各種外圍芯片相結(jié)合的基帶板軟硬件配置策略，我們可以看出該配置策略能夠較好地實現(xiàn)高性價比的巖體成分分析，并且分析結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以應(yīng)用在多種模式下，完成對巖體數(shù)據(jù)的采集、存儲和數(shù)據(jù)傳輸，為各種工程前期分析提供支撐。