陳漢生 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023 油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

周永亮 (湖北江漢石油儀器儀表股份有限公司，湖北 武漢 430000)

佘 露 (深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518061)

基于C8051F060的錨桿檢測(cè)儀采集卡的設(shè)計(jì)

陳漢生 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023 油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

周永亮 (湖北江漢石油儀器儀表股份有限公司，湖北 武漢 430000)

佘 露 (深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518061)

隨著錨桿現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)便攜式、小體積、數(shù)據(jù)處理量大的錨桿檢測(cè)儀的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，以前的基于串口通信的錨桿檢測(cè)儀已經(jīng)不能滿足工程需求。設(shè)計(jì)了一種基于C8051F060的錨桿檢測(cè)儀的采集卡，通過C8051F060自身集成的高速A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集卡通過FIFO芯片IDT7204與S3C2410ARM芯片相連接，實(shí)現(xiàn)聲頻應(yīng)力波信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸和處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理效率?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)滿足工程要求，具有很好的應(yīng)用前景。

C8051F060；FIFO；A/D；ARM；數(shù)據(jù)傳輸

近年來(lái)，隨著人工隧道和人工高邊坡工程的大量涌現(xiàn)，錨桿錨固技術(shù)在礦藏開發(fā)、水電站、公路、鐵路等工程施工中應(yīng)用廣泛，這些錨桿是否達(dá)到了工程設(shè)計(jì)的要求并對(duì)工程巖體是否起到錨固作用，被錨固的巖體是否處在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)之中等一系列的檢測(cè)問題并沒有得到很好的解決，因而錨桿錨固的質(zhì)量檢測(cè)問題也備受關(guān)注[1]。以往的通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、體積龐大的錨桿檢測(cè)儀已經(jīng)愈發(fā)暴露出它數(shù)據(jù)處理速度慢、數(shù)據(jù)量小、笨重等不足，對(duì)便攜式、小體積、數(shù)據(jù)處理量大的錨桿檢測(cè)儀的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。為此，筆者討論了一種全新的基于C8051F060的錨桿檢測(cè)儀采集卡的設(shè)計(jì)方法。

1 錨桿檢測(cè)儀工作原理

圖1 錨桿質(zhì)量檢測(cè)工作示意圖

圖1為錨桿質(zhì)量檢測(cè)工作示意圖。錨桿質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，聲頻應(yīng)力波沿著錨桿體傳播并向錨桿周圍輻射能量，在此過程中檢測(cè)儀器檢測(cè)到反射波信號(hào)，接收系統(tǒng)將反射回來(lái)的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過高速A/D對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行采集，然后A/D將采集到的數(shù)據(jù)上傳至ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[2]，從而確定錨桿的長(zhǎng)度和灌漿的整體質(zhì)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1錨桿檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖

錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀主要由發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。發(fā)射系統(tǒng)接收來(lái)自ARM命令產(chǎn)生應(yīng)力波信號(hào)，應(yīng)力波信號(hào)在待測(cè)錨桿中反射回來(lái)后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)捕捉，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再將采集到的數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析處理，進(jìn)而進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果的顯示。錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖如圖2所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用基于C8051F060單片機(jī)的采集卡， C8051F060是完全集成在混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，是美國(guó)Silabs公司生產(chǎn)的系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，它具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核, 指令系統(tǒng)與MCS-51指令集完全兼容， 具有4352(4K+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM，64Kb可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，5個(gè)通用的16位定時(shí)器等[3]。

圖2 錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖

基于C8051F060單片機(jī)的采集卡片內(nèi)集成了2個(gè)1Mbps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測(cè)器和DMA接口。這2個(gè)ADC可以被配置為2個(gè)獨(dú)立的單端方式ADC或組成一個(gè)差分對(duì)。本設(shè)計(jì)將ADC配置成單端方式，通過定時(shí)器3溢出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，DMA(直接存貯器訪問)接口和ADC協(xié)同工作，將ADC輸出直接寫入FIFO緩沖器中。

2.2采集卡信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

C8051F060采集卡A/D測(cè)量電壓范圍為0～+5V，而通過接收傳感器轉(zhuǎn)換的被測(cè)模擬電壓范圍是-2.5～+2.5V，為了將模擬電壓轉(zhuǎn)換成采集卡可以接受的范圍內(nèi)，筆者采取圖3所示的信號(hào)調(diào)理電路。其中，采集卡信號(hào)調(diào)理電路分為2級(jí)：前一級(jí)主要是將LT1806CS8運(yùn)算放大器用作減法器，在被測(cè)模擬電壓的基礎(chǔ)上減掉2.5V，使得被測(cè)電壓范圍轉(zhuǎn)換成-5～0V；后面一級(jí)運(yùn)算放大器用作反相器，將被測(cè)電壓翻轉(zhuǎn)，測(cè)量電壓范圍反相成0～5V，從而實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)電壓范圍達(dá)到采集卡A/D的電壓要求。電容C43和C44主要起低通濾波和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)換的作用。

圖3 采集卡信號(hào)調(diào)理電路

2.3采集卡與ARM接口電路設(shè)計(jì)

圖4 采集卡與ARM接口電路

C8051F060高速單片機(jī)片內(nèi)有2個(gè)16位、可編程轉(zhuǎn)換速率最大達(dá)到1Mbps的SAR ADC(ADC0和ADC1)，采集卡高速A/D通過FIFO在處理器與A/D轉(zhuǎn)換器之間架一座橋梁，F(xiàn)IFO的先入先出特性可以方便緩存大量的數(shù)據(jù)塊，解決了ARM處理器的數(shù)據(jù)接收能力與A/D芯片的工作速率不匹配的問題，避免了有效數(shù)據(jù)的丟失，提高了CPU的效率。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用“A/D轉(zhuǎn)換器-緩存器-處理器”這種模式，緩存器采用FIFO芯片IDT7204,IDT7204具有12ns的高速數(shù)據(jù)訪問、低功耗、異步同步讀寫、寬度深度擴(kuò)展、重新發(fā)送等優(yōu)點(diǎn)。處理器芯片采用Samsung公司的S3C2410處理器。S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核,采用0.18μm制造工藝的32位微控制器[4]。采集卡與ARM接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

C8051F060單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA方式往FIFO傳數(shù)據(jù)，由于FIFO的先入先出結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中不需要任何地址線的參與,大大簡(jiǎn)化了電路。FIFO芯片的全滿標(biāo)志位FF、空標(biāo)志EF和半滿標(biāo)志HF分別與單片機(jī)的P2.0和S3C2410的外部中斷EINT3和EINT4相連，實(shí)現(xiàn)FIFO讀寫時(shí)狀態(tài)的控制。單片機(jī)和ARM控制FIFO寫、讀引腳通過74LS32或門控制FIFO的讀寫。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)把P1.0引腳一直置低，A/D開始工作后，A/D將自己轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送至自己的輸出口D0～D7，當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行一次寫操作WE引腳來(lái)一個(gè)低脈沖，WE引腳低脈沖和P1.0通過74LS32或操作使FIFO的寫信號(hào)使能，數(shù)據(jù)被寫入FIFO，這樣每執(zhí)行一次寫操作數(shù)據(jù)就被寫入FIFO中，直至一次數(shù)據(jù)采集的完成。當(dāng)IDT7204芯片的FF引腳置位時(shí)，表明FIFO芯片數(shù)據(jù)已經(jīng)寫滿，此時(shí)通過P2.0引腳觸發(fā)外部中斷1[5]，停止向FIFO寫數(shù)據(jù)，ARM讀取FIFO中的數(shù)據(jù)采用同樣的思想，在此就不再敘述。采集卡的P0腳與FIFO芯片的RS相連用以每次數(shù)據(jù)采集前復(fù)位FIFO，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于C8051F060采集卡的錨桿檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)主要包括采集卡數(shù)據(jù)采集、ARM上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)等，由于筆者主要介紹基于錨桿檢測(cè)儀的采集卡設(shè)計(jì)，所以在此只介紹C8051F060采集卡數(shù)據(jù)采集部分的軟件設(shè)計(jì)思路。

3.1主程序流程圖

圖5 主程序流程圖 圖6 AD數(shù)據(jù)采集流程圖

C8051F060單片機(jī)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過判斷接收到的ARM命令進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，當(dāng)ARM發(fā)送的是數(shù)據(jù)采集命令時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，然后通過FIFO上傳數(shù)據(jù)給ARM，具體過程如圖5所示。系統(tǒng)初始化完成之后，ARM通過串口向采集卡發(fā)送命令，當(dāng)采集卡通過接收到的數(shù)據(jù)檢測(cè)到ARM發(fā)送的是采集命令時(shí)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣率、采樣長(zhǎng)度參數(shù)的設(shè)置，啟動(dòng)A/D數(shù)據(jù)采集，A/D采集完成之后將數(shù)據(jù)寫入FIFO，通過FIFO緩沖，ARM讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。

3.2A/D采集子程序流程圖

基于C8051F060采集卡A/D數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)思路主要就是通過判斷接收到的ARM命令號(hào)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，當(dāng)外部觸發(fā)命令到來(lái)時(shí)啟動(dòng)A/D數(shù)據(jù)采集。A/D采集子程序流程圖如圖6所示。A/D數(shù)據(jù)采集時(shí)首先等待ARM發(fā)送命令，ARM通過串口向采集卡發(fā)送命令，當(dāng)C8051F060單片機(jī)接收到ARM命令號(hào)是預(yù)先設(shè)定的命令號(hào)時(shí)進(jìn)行采樣率、采樣長(zhǎng)度的初始化設(shè)置，配置定時(shí)器T3中斷啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，DMA控制器進(jìn)行初始化，等待ARM發(fā)送敲擊命令，當(dāng)敲擊命令到而且敲擊能量高于預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)門限值時(shí)，啟動(dòng)A/D采集，采集卡將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA方式上傳，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)采集。

4 測(cè)試效果

基于該采集卡的錨桿檢測(cè)儀對(duì)某公路隧道2根設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3.5m、直徑28mm已灌漿且凝固期已滿的錨桿進(jìn)行測(cè)量, 試驗(yàn)曲線如圖7所示。對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析后可以得出錨桿的測(cè)量長(zhǎng)度分別為3.29m和3.45m，長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求。通過觀察曲線的衰減情況可以判斷出灌漿密實(shí)度也基本符合要求。測(cè)試結(jié)果表明基于該采集卡的錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀能夠快速、準(zhǔn)確的測(cè)量錨桿長(zhǎng)度，檢測(cè)錨固質(zhì)量的好壞，符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 試驗(yàn)曲線

圖7(a)中錨桿測(cè)量長(zhǎng)度為3.29m，從圖7(a)中可以看到標(biāo)定線處低端反射信號(hào)(波谷)，聲頻應(yīng)力波能量逐漸衰減到低端后又反射變大，2個(gè)標(biāo)定線之間的長(zhǎng)度為3.29m(錨桿長(zhǎng)度)，符合設(shè)計(jì)要求。曲線逐漸衰減，聲頻應(yīng)力波波形規(guī)則，曲線中間沒有異常缺陷反射，說(shuō)明錨固質(zhì)量基本可靠。

圖7(b)中錨桿測(cè)量長(zhǎng)度為3.45m，通過波形曲線可以看出聲頻應(yīng)力波能量激發(fā)后迅速衰減，說(shuō)明錨固十分密實(shí)，將能量吸收傳遞的很迅速，用標(biāo)定線標(biāo)出的2個(gè)波谷之間的長(zhǎng)度為3.45m，說(shuō)明錨桿長(zhǎng)度也符合要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者在深入剖析了傳統(tǒng)的錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀數(shù)據(jù)傳輸、處理速度慢、體積龐大不便攜帶等缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過基于C8051F060的錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀的采集卡的設(shè)計(jì)，通過FIFO實(shí)現(xiàn)采集卡和ARM的數(shù)據(jù)緩沖，解決了傳統(tǒng)錨桿檢測(cè)儀數(shù)據(jù)傳輸、處理速度慢、容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，該采集卡的使用也大大優(yōu)化了檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)，提高了儀器的便攜性。該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于長(zhǎng)江大學(xué)LX-10E錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀。實(shí)踐表明，該方案設(shè)計(jì)的錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀接口電路簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸快速、可靠，大大提高了工作效率，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]曾憲明，雷志粱，張文巾.關(guān)于錨桿“定時(shí)炸彈”問題的討論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002(1)：143-147.

[2] 王軍民, 陳義群,陳華. 高速公路錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2004，19( 4) ：782-785.

[3] 潘琢金. C8051Fxxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2002：20-22.

[4] 范道爾吉，劉正宏，李東. S3C2410最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(5)：313-318.

[5] 陳光成. 用FIFO實(shí)現(xiàn)A/D與ARM處理器的接口[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(11) : 69-70.

2012-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金重大儀器專項(xiàng)項(xiàng)目(40727001)。

陳漢生(1988-),男，碩士生，現(xiàn)主要從事地球物理儀器方面的研究工作。

TN911.72;TP274.2

A

1673-1409(2013)04-0062-04

[編輯] 洪云飛