基于MPU6050的高精度鉆孔應(yīng)力計安裝桿設(shè)計

朱凱 張艷東

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司安居煤礦 山東省濟(jì)寧市 272100）

鉆孔應(yīng)力計是監(jiān)測礦井巷道巖壁應(yīng)力大小的測量儀器[1]。在礦井生產(chǎn)過程中，原巖體受力平衡狀態(tài)被打破，采動應(yīng)力重新分布，易產(chǎn)生冒頂、片幫等沖擊地壓重大安全隱患[2,3]，為實(shí)時準(zhǔn)確的掌握采動應(yīng)力場分布情況，企業(yè)通常需要安裝多個鉆孔應(yīng)力計綜合分析巖體應(yīng)力。

鉆孔應(yīng)力計主要有2 種類型，應(yīng)變片式礦用應(yīng)力計和膨脹枕式礦用應(yīng)力計。從測量原理看，應(yīng)變片式礦用應(yīng)力計測量的應(yīng)力數(shù)據(jù)為垂直于電阻應(yīng)變片方向的力，膨脹枕式礦用應(yīng)力計測量的應(yīng)力數(shù)據(jù)為垂直于油枕方向的力，這兩種應(yīng)力計測量與其主要受力部件垂直方向的應(yīng)力大小，受地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力計特點(diǎn)的影響，計算得到應(yīng)力數(shù)據(jù)往往存在較大誤差[4]。因此，在安裝應(yīng)力計時存在以下幾點(diǎn)要求：

（1）將應(yīng)力計垂直應(yīng)力方向放置于巖體內(nèi)，能提高應(yīng)力值獲取的精度。

（2）應(yīng)力計安裝過程中應(yīng)能前后移動、左右旋轉(zhuǎn)，安裝完成后可將安裝桿抽出。

（3）應(yīng)力計安裝過程中應(yīng)能實(shí)時了解應(yīng)力計傾角。

為提高測量準(zhǔn)確性，有見一種解決方案，即在應(yīng)變片式礦用應(yīng)力計中嵌入三軸加速度傳感器，以得到應(yīng)力計在煤柱中的傾角[5]。其不足之處在于加速度計算傾角需進(jìn)行積分運(yùn)算，在調(diào)整應(yīng)力計傾角時，受人為旋轉(zhuǎn)速度的影響，易產(chǎn)生積分誤差，并且每個應(yīng)變片式應(yīng)力計均帶有三軸加速度傳感器，其制作工藝復(fù)雜，增加了制造成本。

針對以上問題，本文介紹一款通用型高精度礦用應(yīng)力計安裝桿，該安裝桿由應(yīng)力計連接頭、延長桿和手持顯示器組成，其中應(yīng)力計連接頭中內(nèi)嵌姿態(tài)傳感器，通過CAN 總線與手持顯示器通信，在手持顯示器上實(shí)時顯示應(yīng)力計姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力計精準(zhǔn)安裝。

1 礦用應(yīng)力計安裝桿總體設(shè)計

通過對礦用應(yīng)力計安裝要求分析與方案比較，設(shè)計了如圖1所示的應(yīng)力計安裝桿總體結(jié)構(gòu)。

圖1：應(yīng)力計安裝桿系統(tǒng)框圖

該結(jié)構(gòu)以姿態(tài)傳感器為核心，將姿態(tài)傳感器固定于應(yīng)力計連接頭中，應(yīng)力計連接頭與應(yīng)力計實(shí)現(xiàn)緊密配合，之間不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，保證傳感器與應(yīng)力計姿態(tài)一致，姿態(tài)數(shù)據(jù)通過總線實(shí)時傳輸至手持顯示器顯示，操作簡單，安裝人員可根據(jù)需要調(diào)整安裝角度，確保了安裝質(zhì)量。

2 應(yīng)力計安裝桿硬件設(shè)計

根據(jù)應(yīng)力計安裝桿功能需求，設(shè)計了其硬件框圖，如圖2所示。

圖2：應(yīng)力計安裝桿硬件框圖

2.1 應(yīng)力計連接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足安裝要求，設(shè)計了一種兩次旋進(jìn)式應(yīng)力計連接頭結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3：應(yīng)力計連接頭結(jié)構(gòu)圖

連接頭內(nèi)部為方形漸縮孔，經(jīng)插入‐旋轉(zhuǎn)‐再插入的方法，與應(yīng)力計尾部連接桿緊密配合，保證連接頭與應(yīng)力計之間無相對轉(zhuǎn)動，并且在巖壁鉆孔內(nèi)能夠自由推拉，而不至應(yīng)力計脫離該連接頭，在安裝完成后經(jīng)拉出‐反向旋轉(zhuǎn)‐再拉出的方法將安裝桿取出。另外，姿態(tài)傳感器固定于應(yīng)力計連接頭的凹槽中，用冷補(bǔ)膠密封，使得姿態(tài)傳感器、應(yīng)力計連接頭、應(yīng)力計三者旋轉(zhuǎn)角始終保持一致。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊硬件設(shè)計

姿態(tài)傳感器模塊以MPU6050 陀螺儀傳感器為核心，搭載高效阻容濾波電路，有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內(nèi)置MM32L051 單片機(jī)，用于分析、篩選、打包、發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)。原理圖如圖4所示。

圖4：姿態(tài)傳感器模塊原理圖

MPU6050傳感器是一個將3軸陀螺儀，3軸加速度計和DMP（數(shù)字運(yùn)動處理）封裝在一個4×4×0.9mm 的小型封裝中，姿態(tài)數(shù)據(jù)以每幀11Byte（2 Byte 幀頭+8 Byte 數(shù)據(jù)+1 Byte 校驗(yàn)）經(jīng)400kHz 的I2C總線與設(shè)備寄存器進(jìn)行通信的姿態(tài)傳感器，具有小尺寸，低功耗，高精度、高耐震性等特點(diǎn)，適用于在狹小空間采集姿態(tài)數(shù)據(jù)[6]。

要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安裝，關(guān)鍵在于建立姿態(tài)傳感器與手持顯示器間的通信。I2C 總線傳輸距離短，常用于板內(nèi)通信，而應(yīng)力計安裝深度達(dá)20 米，顯然I2C 總線無法滿足設(shè)計需求，另外常用通信方式有RS485、CAN 總線等，RS485 是一種主從式的單字節(jié)通信標(biāo)準(zhǔn)，使用靈活，接收數(shù)據(jù)后需要設(shè)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查、解析、分類和使用[7]。而CAN 總線是以數(shù)據(jù)幀方式進(jìn)行通信，具備硬件錯誤檢測、過濾等功能，每幀最多可發(fā)送8 字節(jié)數(shù)據(jù)，比RS485 通信效率高，CAN 總線非常適用于可靠性高、傳輸短信息的工業(yè)控制系統(tǒng)[8]。所以，本文采用CAN 總線實(shí)現(xiàn)姿態(tài)傳感器與手持顯示器間的通信。

為此，在模塊中嵌入MM32L051 微型單片機(jī)，以滿足I2C 總線數(shù)據(jù)與CAN 總線數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。在I2C 總線上需連接兩個上拉電阻以穩(wěn)定信號，INT 引腳為姿態(tài)數(shù)據(jù)中斷引腳，用以通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù)。MM32L051 單片機(jī)收到姿態(tài)數(shù)據(jù)后以CAN 消息格式打包發(fā)送至CAN 收發(fā)芯片（HVD230），最終由CAN 收發(fā)芯片發(fā)送至CAN 總線上。

2.3 手持顯示器硬件設(shè)計

手持顯示器硬件原理圖如圖5所示。

圖5：手持顯示器硬件原理圖

2.3.1 嵌入式處理器

一個可實(shí)現(xiàn)CAN通訊、姿態(tài)解算、LCD顯示功能的手持顯示器，其性能與所采用的微處理器密切相關(guān)。為同時兼顧需求與成本，本文選用了一款集CAN、SPI、FPU（Floating Point Unit,浮點(diǎn)運(yùn)算單元）的國產(chǎn)ARM Cortex‐M 內(nèi)核APM32F103CBT6 微處理芯片作為手持顯示器的處理器[9]。

APM32F103CBT6 最小系統(tǒng)包括低電平阻容復(fù)位電路；外部16M 晶振，通過內(nèi)部鎖相環(huán)電路倍頻至96MHz，再經(jīng)分頻后供給各外設(shè)使用；下拉BOOT0、BOOT1 引腳至低電平，使處理器從內(nèi)部Flash 啟動；對系統(tǒng)的調(diào)試與仿真，采用兩線制串行SWD 接口[10]。

2.3.2 電源電路

手持顯示器需要3.3V 電源，使用三節(jié)5 號干電池串聯(lián)后作為基本電源，然后利用低壓差線性穩(wěn)壓器TPS76933/0.2A 轉(zhuǎn)化得到所需電源。

2.3.3 CAN 通信設(shè)計

外部的CAN 收發(fā)芯片型號與姿態(tài)傳感器模塊CAN 收發(fā)芯片相同，由3.3V 供電，芯片的 CAN 發(fā)送(D)、CAN 接收(R)分別連接APM32F103CBT6 處理器的CAN_TX、CAN_RX 引腳，CAN 收發(fā)芯片的CAN_H 和CAN_L 之間接入120Ω 終端電阻，用于消除信號反射對總線通訊的影響，然后再將CAN_H 和CAN_L 連接到安裝桿CAN 總線上，以實(shí)現(xiàn)最高1Mbit/s 的通訊速率[11]。

2.3.4 顯示模塊

LCD 顯示部分采用2.8 英寸TFT 彩色屏，分辨率240*320，通過SPI 接口實(shí)現(xiàn)LCD 顯示連接，其功耗不大于0.22w，PA2 為按鍵功能引腳，通知CPU 點(diǎn)亮或關(guān)閉顯示屏，在本設(shè)計中，主要顯示采集到的角度數(shù)據(jù)并以動畫形式顯示應(yīng)力計姿態(tài)。

3 軟件設(shè)計

應(yīng)力計安裝桿主要任務(wù)是精準(zhǔn)安裝應(yīng)力計，由姿態(tài)傳感器采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，緊接著將數(shù)據(jù)交給單片機(jī)處理后發(fā)送至CAN 總線上，手持顯示器實(shí)時接收CAN 總線數(shù)據(jù)，在LCD 上用動畫的形式形象的展現(xiàn)應(yīng)力計當(dāng)前姿態(tài)，以及時調(diào)整應(yīng)力計傾角，正確安裝應(yīng)力計。所以，該系統(tǒng)軟件主要包括兩部分，分別為姿態(tài)傳感器模塊軟件設(shè)計和手持顯示器軟件設(shè)計。

3.1 姿態(tài)傳感器模塊軟件設(shè)計

姿態(tài)傳感器模塊需要完成4 大任務(wù)，分別為接收姿態(tài)數(shù)據(jù)、分析姿態(tài)數(shù)據(jù)、篩選姿態(tài)數(shù)據(jù)、發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)，軟件流程如圖6。

圖6：姿態(tài)傳感器模塊軟件流程

MPU6050 實(shí)時測量當(dāng)前姿態(tài)，以9600bps 速率向I2C 總線發(fā)送姿態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)MM32L051 收到由MPU6050 的INT 引腳發(fā)出的中斷信號時，立即接收數(shù)據(jù)，并暫存于臨時數(shù)組中。當(dāng)收到數(shù)據(jù)幀尾時，對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，檢查數(shù)據(jù)的完整性，繼而打包發(fā)送到CAN 總線上。

3.2 手持顯示器軟件設(shè)計

應(yīng)力計姿態(tài)變化是一個動態(tài)的過程，因此，手持顯示器需具備實(shí)時性，為滿足這一要求，主控制器必須時刻處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。考慮以上因素，宜采用中斷服務(wù)函數(shù)接收數(shù)據(jù)，軟件流程見圖7。

圖7：手持顯示器軟件流程

手持顯示器工作時，CAN 接收中斷函數(shù)中斷接收姿態(tài)數(shù)據(jù)，按順序依次存入can_buf[][]數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并將姿態(tài)數(shù)據(jù)計數(shù)值加1。軟件主循環(huán)實(shí)時檢測姿態(tài)數(shù)據(jù)計數(shù)值，當(dāng)計數(shù)值大于1 時，讀取數(shù)據(jù)，加載到FPU 快速計算姿態(tài)，同時將姿態(tài)數(shù)據(jù)計數(shù)值減1，最終在LCD 上顯示姿態(tài)動畫。

4 結(jié)語

基于MPU6050的高精度礦用應(yīng)力計安裝桿整體效果如圖8所示，進(jìn)行了實(shí)地測試并應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果，井巷應(yīng)力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大大提升，通過實(shí)際應(yīng)用證明，這種礦用應(yīng)力計安裝桿的設(shè)計方案是切實(shí)可行的。

圖8：應(yīng)力計安裝桿實(shí)物