一種雪地賽道硬度檢測裝置的設計與實現

魏 欣，王志豪

(南京信息職業技術學院 電子信息學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

高山滑雪比賽是冬季奧運會上一項重要的比賽項目。在高山滑雪項目賽道制作實際應用中，為了保證賽道的制作質量，首先，制作者需要憑經驗用電鉆鉆入賽道，感受賽道的松軟度；其次，根據感受到的硬度，結合當時的天氣情況，設定賽道的注水時間，將水注入賽道內部20～40 cm處，使雪質硬化，以保證雪道表面平整光滑，讓選手不論第幾個出場，雪道的狀態都是一樣相對完美的[1]。然而，賽道整個制作過程更多地是依靠人工經驗，不能對滑雪賽道的雪質硬化的硬度情況進行定量分析，無法保證所制作滑雪賽道硬度的一致性和科學性。

針對高山滑雪賽道施工驗收檢測的需要，本文設計一種能檢測滑雪賽道縱剖面硬度的裝置。通過垂直鉆入賽道的探針式壓力傳感器，實時采集壓力值，根據壓力值的大小來反映賽道的硬度。該裝置提供了一種內部硬度檢測的新方法，為高山滑雪賽道的制作提供了科學依據[2]。

1 檢測系統方案設計

不同于傳統的金屬壓痕硬度測量方式，本文設計的雪地賽道硬度檢測裝置可以檢測賽道縱剖面不同深度的冰層硬度情況。測量時，探針式壓力傳感器垂直鉆入賽道，在鉆入的過程中實時采集壓力數據。系統將采集的數據進行輸出和分析，從而計算出不同深度冰層的硬度值。硬度檢測系統總體結構如圖1所示。

2 傳動機構設計

本項目設計的冰狀雪賽道硬度探測裝置包括滑軌、云臺、壓力傳感器、探針等部分，如圖2所示，其中，1代表直流電機，2代表減速機，3代表平衡架，4代表滑軌，5代表支撐桿，6代表底座，7代表云臺，8代表壓力傳感器，9代表探針，10代表防偏導引板，11代表固定架，12代表頂片，13代表固定片，14代表云臺導向孔[3]。

裝置滑軌上安裝有云臺，如圖2(B)圖所示。云臺的上端安裝有壓力傳感器，用于攜帶壓力傳感器在滑軌上做上下垂直活動；云臺的下端設置有云臺導向孔；探針活動套接在云臺導向孔中。壓力傳感器通過螺絲安裝在云臺上。探針的頂端設置有固定片，固定片用于防止探針從云臺導向孔中脫落；壓力傳感器的下端安裝有頂片，固定片與頂片在同一直線上，拆解方便，可在實際應用中更換型號，其頂片在正常情況下與探針的固定片不接觸，沒有外部力量作用在壓力傳感器上，減小誤差；工作時，云臺向下移動，帶動頂片和固定片接觸，并將探針頂向冰狀雪賽道[4]。賽道的硬度不同，頂片和固定片之間的壓力就發生變化，通過壓力傳感器將壓力數據采集出來。

圖2 裝置結構示意

整個裝置通過滑動云臺運動將探針垂直壓入冰狀雪賽道中過提取壓入過程中的受力曲線，利用數值方法提取壓力傳感器承受的負荷力作為硬度值，以將測量冰狀雪賽道硬度的問題轉換為依據受壓曲線，提取壓力曲線的某幾個點作為賽道不同雪層的硬度值。

3 數據采集系統的硬件設計

根據設計要求，結合完整的嵌入式硬件系統設計需求，本文所設計的數據采集系統基本結構如圖3所示。

圖3 測量系統硬件基本結構

(1)核心控制模塊：選用STM32F103C8T6作為主控芯片，內置12位高速模擬數據轉換器(ADC) ，能夠滿足壓力傳感器數據轉換精度的要求。支持I2C，SPI，USART等通信協議，可方便、可靠地進行各種數據交互。

(2)數據采集模塊：一般，雪地賽道的硬度值為200 N以內，而測量中的賽道的測量精度要求達到1 N。設計時，采用蚌埠大洋傳感系統工程有限公司推出的稱重傳感器，最大量程為50 kg，綜合誤差為0.3% full scale，供電電壓5～15 V，輸出靈敏度為2.0 mV/V，能達到測量精度、量程的實際需求。

(3)數據輸出部分：能夠顯示當前測量數據和歷史數據。

(4)運動控制部分：直流電機控制探針運動擠壓雪地賽道。

(5)數據通信接口：采用RS485通信方式，將裝置的測量數據準確、無誤地傳給后臺測量系統。

4 系統軟件設計

根據雪地硬度檢測儀的設計應用需求，整個硬度檢測軟件包括：主程序、傳感器數據采樣、電機正反轉識別、液晶顯示、RS485通信、USB數據保存等。整個系統采用C語言模塊化思想進行設計，各功能模塊分別編寫相應的驅動函數和控制函數。硬度檢測設備的軟件結構如圖4所示。

圖4 系統軟件總體結構

系統上電復位后，主函數先完成系統上電初始化過程，包括：STM32系統時鐘配置、各模塊硬件匹配的輸入輸出口(GPIO)管腳功能初始化配置、數模轉換模塊初始化、液晶顯示初始化以及串口工作方式的初始化[5]。

初始化完成后，識別探針式壓力傳感器的運動方向，在鉆入雪層的運行過程中不斷采集傳感器信號，并實時將每次的測量結果顯示在液晶顯示器上。在完成一組檢測后，通過U盤將數據保存。

5 雪地賽道硬度的測定

項目組于2019年2月14日對亞布力滑雪場進行踏勘，并對冰狀雪賽道進行了雪坑剖面對照測量。在實際的情況下，由于探針式壓力傳感器存在位移波動、采樣系統受溫度影響等因素的干擾，檢測數據的曲線不可能十分平滑，會產生相應的波動，實際的測量過程典型曲線如圖5所示。結合理論曲線，可以為實際測量曲線設定180 N的閾值，測量值超過180 N就是冰層，不到180 N為雪層。

圖5 冰狀雪賽道雪硬度實測曲線

6 結語

本文結合實際應用的需求，基于嵌入式ARM硬件、軟件設計雪地賽道硬度檢測裝置，并開發賽道硬度分析軟件。實驗室驗證和實地檢測的結果表明：該裝置結構堅固、拆解方便、安裝簡單、便于雪地攜帶和測量，可以對不同厚度的冰狀雪賽道進行準確測量，大大保證賽事公平性和安全性。