繆建華，游小榮

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市人口越來(lái)越多，生產(chǎn)和交通工具密集，解決城市發(fā)展過(guò)程中的交通問(wèn)題仍是一大問(wèn)題，地鐵等軌道交通建設(shè)也隨之進(jìn)入黃金發(fā)展期。地鐵工程的施工，會(huì)引起地層移動(dòng)而導(dǎo)致不同程度的沉降和位移，由于施工技術(shù)和周圍環(huán)境、巖土介質(zhì)的復(fù)雜性，即使采用最先進(jìn)的施工方法，其引起的地層移動(dòng)也是不可能完全避免的。毫無(wú)疑問(wèn)，地鐵隧道地基沉降問(wèn)題是影響地鐵運(yùn)行的重要因素[1]。為保障地鐵可靠運(yùn)行需要不定時(shí)甚至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地基沉降的情況[2]。目前，我國(guó)使用的測(cè)試儀大多數(shù)還是電磁式沉降儀，需要采取人工到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和記錄，測(cè)量時(shí)往往與施工相互干擾，對(duì)數(shù)據(jù)精度影響較大，而數(shù)據(jù)傳輸采用RS485通訊方式，傳輸距離較短。

本文以數(shù)字化、自動(dòng)化為目標(biāo)，完成了對(duì)地基沉降測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容包括智能傳感器設(shè)計(jì)、采集電路設(shè)計(jì)、多種通訊接口電路以及基于STM32F105芯片的硬件設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了該裝置的軟件部分。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本地基沉降測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)是基于電子技術(shù)、信息技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等有機(jī)地融為一體的智能測(cè)量裝置?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本裝置的智能傳感器是將地基沉降量轉(zhuǎn)化成供數(shù)據(jù)采集器采集的頻率信號(hào);單個(gè)數(shù)據(jù)采集器可以同時(shí)采集多路智能傳感器的頻率信號(hào)并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本裝置還可將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口直接發(fā)送智能讀數(shù)儀，或者通過(guò)RS232接口將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)或者現(xiàn)場(chǎng)顯示屏。此外，數(shù)據(jù)采集器還可通過(guò)CAN總線與GPRS遠(yuǎn)程傳輸模塊通訊，將當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程服務(wù)器或監(jiān)控手機(jī)，實(shí)現(xiàn)地基沉降量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本裝置在沒(méi)有位移量發(fā)生的情況下會(huì)定期向智能傳感器保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，否則會(huì)提高數(shù)據(jù)采集處理的頻率并保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括各自的標(biāo)號(hào)、監(jiān)測(cè)時(shí)間和位移量等數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)采集器從智能傳感器中讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行位移量的計(jì)算，同時(shí)將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器或上位機(jī);上位機(jī)能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、分析，并通過(guò)曲線實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還能進(jìn)行報(bào)警預(yù)置和遠(yuǎn)程控制。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本地基沉降測(cè)量裝置中硬件的設(shè)計(jì)主要包括主控電路、智能傳感器、CAN總線通訊以及RS485通訊電路等。

2.1 智能傳感器

智能傳感器采用的是電感式位移傳感器，在其內(nèi)部裝有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。智能傳感器內(nèi)部原理圖如圖2所示。

圖2 智能傳感器內(nèi)部原理圖

本裝置沉降量的測(cè)量是通過(guò)將位移量的變化轉(zhuǎn)換成電感值的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成頻率的變化。由圖2可見，沉降量到頻率的轉(zhuǎn)換采用的是用LM555構(gòu)成的多諧振蕩器電路。沉降量的變化導(dǎo)致電感值的變化，從而改變多諧振蕩器的輸出頻率，因此測(cè)量多諧振蕩器的輸出頻率并通過(guò)計(jì)算方可得到當(dāng)前的沉降量。為了保證數(shù)據(jù)采集器可以采集到有效的波形，多諧振蕩器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)74HC393進(jìn)行了分頻和整形。

本智能傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用的是支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行E2PROM存儲(chǔ)芯片AT24C64，可以方便地與數(shù)據(jù)采集器連接，存儲(chǔ)芯片AT24C64的串行時(shí)鐘信號(hào)線SCL既作為AT24C64的數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)在高電平時(shí)為兩只電解電容充電，為傳感器部分提供電源。SDA為串行數(shù)據(jù)信號(hào)線，用于傳送地址和所有數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。由于位移量和電感值之間并不是線性關(guān)系，所以在此智能傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)一些特定的位移點(diǎn)進(jìn)行電感值的標(biāo)定，其標(biāo)定的值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片AT24C64中，以便數(shù)據(jù)采集器的調(diào)用。

2.2 主控電路的設(shè)計(jì)

主控電路原理圖如圖3所示，包括微處理器、對(duì)智能傳感器的信號(hào)采集部分和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀寫部分等。微處理器采用的是STM icroelectronics公司推出的STM32F105。STM32F105是一款基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的32位微控制器，其內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用的嵌入式領(lǐng)域的要求。與ARM7微控制器相比，由于采用Thumb－2指令集，STM32運(yùn)行速度最多可快35%且代碼最多節(jié)省45%[3]。本數(shù)據(jù)采集器可同時(shí)對(duì)六路智能傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，圖3中對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集是以其中一路為例，傳感器輸出的波形信號(hào)OUTCLK1經(jīng)過(guò)三極管開關(guān)電路連接至STM32F105的29腳(INCLK1)。傳感器中存儲(chǔ)芯片的串行時(shí)鐘信號(hào)線SCL不僅是數(shù)據(jù)讀寫的始終信號(hào)線，同時(shí)作為傳感器的電源，所以時(shí)鐘SCL1需要經(jīng)過(guò)電流放大電路后(OUTSCL1)與傳感器電路相連;傳感器的串行數(shù)據(jù)信號(hào)線SDA通過(guò)雙向總線發(fā)送器/接收器74HC245與STM32F105的數(shù)據(jù)端口連接。

圖3 主控電路原理圖

2.3 通訊電路的設(shè)計(jì)

本沉降測(cè)試裝置中為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集器之間需要進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)終端傳輸?shù)缴衔粰C(jī)或?qū)Ｓ米x數(shù)儀進(jìn)行顯示，這就需要相關(guān)的通訊電路?？紤]到遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)計(jì)中主要采用的通訊方式為CAN總線通訊方式。各采集器通RS485與智能讀數(shù)儀通訊;通過(guò)RS232與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)通訊。

在所有的現(xiàn)場(chǎng)總線中，CAN總線被公認(rèn)為抗干擾性能強(qiáng)、工作可靠、實(shí)時(shí)高效和成本低廉的串行通信網(wǎng)絡(luò)[4]，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中。CAN通信接口器件需兩類:協(xié)議控制器和收發(fā)驅(qū)動(dòng)器。而STM32F105控制器內(nèi)部集成了2路獨(dú)立的CAN協(xié)議控制器，避免了總線外擴(kuò)引入的干擾，只需外接收發(fā)驅(qū)動(dòng)器即可，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本，這使得通信變得較為簡(jiǎn)單。單個(gè)采集器上設(shè)有兩只CAN總線接口用于采集器之間的級(jí)聯(lián)[5]。CAN總線收發(fā)器選擇的是德州儀器的VP230，其工作電壓為3.3V，滿足HBM模式16kV的ESD防護(hù)，允許總線上多達(dá)120個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)功能。CAN總線接口電路圖如圖4所示，CAN1TX和CAN1RX與STM32F105的端口相連，CAN1H和CAN2L分別為CAN總線的高電平和低電平輸入/輸出端口。如電路中需要增強(qiáng)抗干擾性能，可以在STM32F105和VP230之間采用高速光耦隔離，并將收發(fā)器VP230放在光耦的外側(cè)。

圖4 CAN總線接口電路圖

本裝置中為了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和觀測(cè)，在每個(gè)數(shù)據(jù)采集器上配有標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口數(shù)據(jù)通訊接口以便于計(jì)算機(jī)連接;同時(shí)為了防止在系統(tǒng)運(yùn)行中CAN總線出現(xiàn)問(wèn)題和故障，可以使用智能讀數(shù)儀在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS485總線讀取每一個(gè)數(shù)據(jù)采集器中及對(duì)應(yīng)智能傳感器的數(shù)值。RS485總線采用的是Sipex公司提供的高可靠性RS－485/422收發(fā)器SP3078，其內(nèi)嵌ESD保護(hù)電路、無(wú)需外接TVS保護(hù)管，節(jié)省成本。RS485總線接口電路如圖5所示。

圖5 RS485總線接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置的系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)傳送等部分。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

(1)初始化:定時(shí)器配置、外部中斷配置、串口配置、內(nèi)存分配等。

(2)計(jì)算頻率和位移量:

計(jì)算頻率:先統(tǒng)計(jì)1s時(shí)間內(nèi)的完整脈沖的數(shù)量(頻率的整數(shù)部分)，再計(jì)算頻率的小數(shù)部分D。

計(jì)算位移量:根據(jù)得到的頻率通過(guò)查表(已事先標(biāo)定)和小范圍內(nèi)線性公式計(jì)算得到位移量。

(3)數(shù)據(jù)封裝:通過(guò)使用Modbus RTU格式進(jìn)行封裝。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本裝置在實(shí)驗(yàn)中以200mm的地基沉降傳感器為例，位移傳感器的標(biāo)定沉降量和標(biāo)定頻率是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量頻率和沉降量測(cè)量值如表1所示，其測(cè)量精度小于1%F.S，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

5 結(jié)束語(yǔ)

基于STM32F105地基沉降測(cè)試裝置經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定具有很好的魯棒性;采用CAN總線數(shù)據(jù)傳輸方式通訊距離較遠(yuǎn)，智能化程度高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值;由于測(cè)試參數(shù)相對(duì)單一，在環(huán)境溫度和濕度等參數(shù)測(cè)試需進(jìn)一步完善。

[1]劉洪海，黃永紅.城市地鐵施工沉降的數(shù)值模擬研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(1):80－82.

[2]魯民功.試論鐵路橋梁樁基沉降問(wèn)題[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2012(07):35

[3]STM icroelectronics.STM32F101xx，STM32F102xx，STM32F103xx，STM32F105xx and STM32F107xx advanced ARM based 32 bit MCU s[DB/OL](2009 －11 －10).http://www.st.com.

[4]韓耀振，周余鳳，馬榮琳.基于CAN總線與射頻技術(shù)的壓開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(11):55－58.

[5]汪孟寅，高明煜.基于STM32F105微控制器的雙CAN冗余設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):9－12.