馮偉，李同錄，邢鮮麗

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西西安 710054）

基于數(shù)據(jù)采集卡的無纜靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設計

馮偉1，李同錄2，邢鮮麗2

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西西安 710054）

通過對傳統(tǒng)的靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行改進，介紹了利用數(shù)據(jù)采集卡采集靜力觸探的壓力數(shù)據(jù)，利用地上數(shù)據(jù)采集儀采集靜力觸探深度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過程中均運用時鐘信息進行時間先后順序和數(shù)據(jù)的同步匹配，通過數(shù)據(jù)存儲模塊可將數(shù)據(jù)存儲下來，也可串行傳輸后把壓力和深度數(shù)據(jù)通過液晶模塊顯示出來，最后將數(shù)據(jù)傳入上位機管理系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)的綜合處理，并將最終觸探曲線顯示出來。整個過程具有無纜化、采集精度高、集成度高、存儲量大、經(jīng)濟便捷等特點，最后通過現(xiàn)場試驗驗證了改造后的靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用性。

靜力觸探;無纜化;時鐘同步;數(shù)據(jù)采集卡

0 前言

靜力觸探作為土體原位測試技術的一種，它能夠在不擾動原始土層的情況下，提供土層和土力學參數(shù)，其快速、準確的優(yōu)勢被國內(nèi)外廣泛應用［1～3］。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的靜力觸探設備主要通過電纜線把采集到的壓力信號傳輸?shù)缴衔粰C中處理分析，在使用中存在很多不便［4，5］。首先，線纜長度隨觸探深度增加而增長，且探桿用線纜串聯(lián)起來，造成加接探桿過程的困難，線纜也容易受損;其次，線纜長度的增加會導致探頭傳感器向上位機傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生額外的衰減，使上位機接收到的壓力信號不能真實反映探頭的實際工作情況。國內(nèi)外也有少數(shù)廠家研制出了無纜全自動靜力觸探系統(tǒng)，主要通過無線電和光傳送探頭壓力信號［6］。但因地下環(huán)境的復雜和金屬探桿的信號屏蔽使得探頭壓力信號很難保證高質(zhì)量的傳輸?shù)降孛?，而且無線傳輸系統(tǒng)成本較高，國內(nèi)很少使用。為了避免這些缺點，我們對傳統(tǒng)的靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行改進，設計出基于數(shù)據(jù)采集卡的無纜靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［7，8］。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)構成

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由地下壓力數(shù)據(jù)采集卡、地上綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機管理系統(tǒng)3大系統(tǒng)構成，并通過串行通訊模塊交換數(shù)據(jù)［9］。

如圖1所示，微控制器一為內(nèi)部集成有A/D轉換單元的單片機STC12C5A60S2;模擬信號調(diào)理模塊由與靜力觸探探頭相接的射級跟隨電路、濾波電路和放大電路構成，濾波電路與微控制器一相接;數(shù)據(jù)存儲模塊一和數(shù)據(jù)存儲模塊二均為EEPROM存儲器;微控制器二為單片機STC89C52RC;操作按鍵模塊包括用于對液晶顯示模塊的背光顯示方式進行選擇的背光按鍵和用于對液晶顯示模塊上所顯示內(nèi)容進行選擇的上按鍵、下按鍵、左按鍵和右按鍵，以及確定按鍵和返回按鍵。觸探頭為靜力觸探雙橋探頭，光電編碼器設置在探桿的頂端。

圖1 無纜式靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設備連接框圖

1.2 系統(tǒng)原理

整個無纜靜力觸探采集和處理系統(tǒng)之間的信號數(shù)據(jù)傳輸都依靠串行通訊［10］，其原理方法如下。

(1）模擬信號調(diào)理模塊對靜力觸探探頭所輸出的壓力信號依次進行射級跟隨、放大和濾波處理后輸出給微控制器一;微控制器一定時采集壓力信號并進行A/D轉換，同時讀取同步時鐘模塊一所輸出的同步時間。

(2）微控制器二定時采集光電編碼器所輸出的探桿深度信號，同時，讀取同步時鐘模塊二所輸出的同步時間并將同步時間和探桿深度信號以特定的格式存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊二中，并將其同步時間和探桿深度信號實時顯示在液晶顯示模塊上。

微控制器二通過串行數(shù)據(jù)通信將地下壓力數(shù)據(jù)采集卡中的同步時間和壓力信號存儲在數(shù)據(jù)存儲模塊二中，并同時將同步時間、壓力信號實時顯示在液晶顯示模塊上。

壓力數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)采集速度均為1次/s。

(3）地上綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將微控制器二所存儲的同步時間、壓力信號和探桿深度信號串行傳輸至上位機中，上位機調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊對所接收到的信號數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，并獲得錐尖和錐壁阻力與探桿深度的對應曲線，同時調(diào)用數(shù)據(jù)顯示模塊對分析處理得出的對應曲線進行同步顯示。

無纜式靜力觸探數(shù)據(jù)采集處理方法流程為:地下壓力數(shù)據(jù)采集卡對靜力觸探探頭初始檢測值的信號實時采集與處理→地上綜合數(shù)據(jù)采集儀對探桿深度信號及地下壓力觸探數(shù)據(jù)采集卡所輸出信號進行實時采集、處理及顯示→數(shù)據(jù)上傳→靜力觸探數(shù)據(jù)處理與顯示。

2 采集卡的設計

地下壓力數(shù)據(jù)采集卡是無纜式采集處理靜力觸探探頭壓力信號的第一步，其采集處理后的信號質(zhì)量對上位機處理信號的效果起著決定性的影響［11］，因此采集卡是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件。

系統(tǒng)由硬件和軟件組成，要讓采集卡實現(xiàn)靜力觸探數(shù)據(jù)的無纜式采集主要需解決的關鍵技術有:系統(tǒng)可靠、長時間穩(wěn)定供電;微弱電壓信號的調(diào)理與放大;采集的大量數(shù)據(jù)有序存儲［12］。

2.1 采集卡的硬件設計

系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中模擬信號調(diào)理模塊中射級跟隨器電路和低通濾波選用LM224芯片，為四運放集成電路，電路功耗很小，工作電壓范圍寬，經(jīng)示波器觀測濾波截止頻率取1 kHz;差分放大電路選用高精度模擬運算放大器AD620，作為儀用放大器，具有精確放大功能，可以分辨出極微弱的信號，最小可達50 μV，且最大工作電流僅為1.3 mA。它將探頭壓力傳感器產(chǎn)生的毫伏級微弱信號精確放大，再將信號輸入微控制器內(nèi)進行A/D轉換，調(diào)理電路如圖2所示。

微控制器為8位主控CPU STC12C5A60S2，工作電壓5 V，功耗低，性價比高，程序存儲空間達60 KB，提供2路串行通信接口，高速的8路10位A/ D，且兼容傳統(tǒng)控制器指令系統(tǒng)。

同步時鐘模塊采用時鐘芯片DS1302，可生成年月日時分秒，提供了2種供電方式，可自動完成電路板電源和外界電源切換，功耗低。同步信息既可采用時分秒，也可以采用完整的時間信息，可靈活選用。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用芯片AT24C256，采集卡存儲的數(shù)據(jù)有2類:一類是壓力數(shù)據(jù)，即電壓值(毫伏級）;另一類是時間數(shù)據(jù)(時、分、秒）。每2次電壓值的差應在某一范圍之外;一次存取的數(shù)據(jù)量為:壓力值4字節(jié)(錐尖和側壁傳感器每路2字節(jié)）+時間(時分秒各一字節(jié)）共3字節(jié)=7字節(jié)，按每秒采集2個電壓信號預算，32 Kbyte(256Kbit EEPROM）可存4681個采集的數(shù)據(jù)幀，即不間斷采集4681/ 7200=0.6 h所得的數(shù)據(jù)。

圖2 模擬信號調(diào)理電路圖

串行通訊選用MAX3232作為RS232收發(fā)器，它適用于近距離傳輸，工作電壓3.0～5.5 V，功耗低。

電源模塊選用大容量5 V方塊電池供電，容量4800 mAh，使用循環(huán)壽命較長。微控制器及外圍電路如圖3所示。

圖3 微控制器及外圍電路圖

2.2 采集卡的軟件設計

本采集卡系統(tǒng)軟件采用結構化的程序設計方法來實現(xiàn)［13］，根據(jù)高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能要求，軟件設計需要注意以下2點:

(1）為更精確的了解探頭傳感器受到的阻力變化，壓力數(shù)據(jù)的采集時間間隔設為1 s，即同步時鐘周期為1 s。

(2）微控制器根據(jù)一定的判斷依據(jù)判斷A/D轉換后的數(shù)據(jù)是否有必要存儲，如果確定存儲，則先存儲同步時間，然后存儲錐尖阻力信號和錐壁摩阻力信號。其判斷依據(jù)為:

①當錐尖阻力信號數(shù)據(jù)和錐壁摩阻力信號數(shù)據(jù)為0時，不存儲。

②當連續(xù)出現(xiàn)相同或相近的錐尖阻力信號數(shù)據(jù)或錐壁摩阻力信號數(shù)據(jù)時，對應只存儲2次。這種方式是基于靜力觸探探頭電壓信號變化的連續(xù)性［14］，即信號不會發(fā)生突變，好處是減少了冗余數(shù)據(jù)［15］。而且，上位機管理系統(tǒng)還可以還原出未存儲的數(shù)據(jù)，確保了信息的完整性［16］。

圖4 地下采集卡軟件系統(tǒng)流程圖

圖4是采集卡系統(tǒng)軟件流程圖。力數(shù)字信號即可存儲在采集卡中。

試驗結束后拔起探桿，將采集卡取出后和地上綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串行連接，此時通過液晶顯示模塊可查看壓力和深度數(shù)據(jù)和各自對應的同步時間，即可檢查試驗數(shù)據(jù)的適用性，排查異常數(shù)據(jù)，也可以在上位機管理系統(tǒng)中查看靜力觸探成果曲線。

3.2 試驗成果檢驗

經(jīng)過以上試驗操作過程，將上位機中的靜力觸探成果數(shù)據(jù)和曲線輸入到電腦中，其曲線為阻力值相對于觸探深度的曲線，結合各靜探孔周圍的鉆孔取樣分層資料，各單孔靜力觸探成果曲線及其相應鉆孔土層劃分如圖6所示。

3 現(xiàn)場試驗

將改造后的靜力觸探儀在西安市某場地進行了現(xiàn)場試驗，在2個鉆孔旁邊各布置一個靜探孔，每孔深度為20.00 m，以便和鉆探取樣成果進行對比，檢驗所設計的靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用性。

3.1 試驗操作

將靜力觸探儀的上位機和雙橋探頭傳感器進行校準檢定，把地下壓力數(shù)據(jù)采集卡和探頭通過連線對接，并將其置于探頭外接探桿內(nèi)，如圖5所示。按照《靜力觸探技術標準》(CECS 04∶88）［17］的試驗步驟進行操作，由于進行無纜自動采集，只需人工加接探桿，貫入到預定深度，錐尖和錐壁阻力產(chǎn)生的壓

圖5 靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖

圖6 靜力觸探試驗成果曲線及其相應土層劃分圖

由圖6左側的靜力觸探曲線可以看出，曲線連續(xù)分布，即場地內(nèi)各土層連續(xù)分布，無土層尖滅現(xiàn)象。有的曲線部分出現(xiàn)突變極值，分析其原因，是土層當中出現(xiàn)了鈣質(zhì)結核或堅硬物質(zhì)，干擾了觸探曲線。

圖6右側的土層劃分是根據(jù)附近的鉆孔經(jīng)過取樣及做室內(nèi)試驗得到的，可以看出，靜力觸探的曲線變化和鉆孔分層結果的吻合程度很高。說明改造后的靜力觸探儀采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以真實反映地層的變化，結合鉆孔連成的地層剖面可以很好的為工程應用服務，驗證了本設計改造后的靜力觸探儀符合靜力觸探的技術要求。

4 結論

本系統(tǒng)對傳統(tǒng)的有纜靜力觸探系統(tǒng)進行改造，利用數(shù)據(jù)采集卡進行靜力觸探原始信號的采集并串行傳輸，實現(xiàn)了無纜化的采集過程，原理上切實可行。其降低了試驗過程中人工操作的難度，節(jié)省時間，相對無線傳輸?shù)牟杉绞蕉猿杀镜土?，更好的保證了采集信號的質(zhì)量和精確度。實地試驗證明所設計的靜力觸探采集系統(tǒng)可靠、實用，有推廣前景，但還不能實時顯示試驗數(shù)據(jù)，不可能隨時了解到探頭下探的實際情況，由于還沒有找到好的無線方案能減小金屬管筒的屏蔽效應，無線傳輸率很低且代價昂貴，還需進一步的研究和嘗試。

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Study and Design of Wire-less Cone Penetration Test Data Acquisition System Based on Data Acquisition Card

FENG Wei1，LI Tong-lu2，XING Xian-li2(1.China Coal Xi’an Design Engineering Co.，Ltd.，Xi’an Shaanxi 710054，China;2.School of Geology Engineering and Geometrics，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710054，China）

By the improvement on the traditional CPT data acquisition system，the paper introduced the collection of CPT pressure data using data acquisition card.The ground data acquisition instrument is used to collect the range data and the process of data collection is carried out with clock information to match in time sequence and data.The data can be stored with the data storage module and also can be displayed through the liquid crystal display module after the serial transmission.After integrated processing，the data were put into the host computer management system and the final data curve of CPT can be displayed.There are many characteristics in the whole process，such as wire-less，high precision of acquisition，high integration，large storage and being economic and convenient.The improved CPT data acquisition system is verified applicability through field experiments at last.

CPT;wire-less;clock synchronization;data acquisition card

TU415

:A

:1672－7428(2012）10－0045－05

2012－04－16;

2012－09－11

馮偉(1983－），男(漢族），山東莘縣人，中煤西安設計工程有限責任公司助理工程師，巖土工程專業(yè)，碩士，從事巖土工程專業(yè)工作，陜西省西安市雁塔路北段66號，123615142@qq.com。