童志偉 鄧茹鳳

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

幾十年來(lái)，高層建筑地下室、地鐵工程、市政道路立交橋、市政污水排放工程、地下商業(yè)街、人防工程等越來(lái)越多，深基坑的面積和深度向大而深方向發(fā)展［1］。當(dāng)前，基坑監(jiān)測(cè)是深基坑工程質(zhì)量保證的三大基本要素之一。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的方法較少，數(shù)據(jù)采集周期一般為3～5 d或者一個(gè)星期，有時(shí)甚至一個(gè)月。人們對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力關(guān)注不夠，忽略了其重要性，而且精度不高、靈活性實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，基坑存在著很大的安全隱患。

針對(duì)目前基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了一種分布式采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單線圈型振弦式傳感器［2］為基本組件，通過(guò)MAX485通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸［3］，同時(shí)硬件與軟件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這樣大大縮減了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)間，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，提高了測(cè)量精度，便于保存分析，最終為基坑的正常運(yùn)行和安全措施提供重要保障。

1 總體方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)查找資料，設(shè)計(jì)了以下三種方案:①微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);②基于現(xiàn)成數(shù)據(jù)采集卡的集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);③基于自主開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集卡的集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。從開(kāi)發(fā)成本、數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)功能、維護(hù)難易、技術(shù)更新周期以及開(kāi)放性等性能考慮，認(rèn)為第三種方案較為可靠。從實(shí)際出發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)多、分布范圍廣，采用分布采集方式為宜，即先將分散的傳感器信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);經(jīng)過(guò)處理后再通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)無(wú)線發(fā)送到監(jiān)控中心的上位機(jī)。這樣減少了因傳輸線路太長(zhǎng)而產(chǎn)生的信號(hào)衰減和噪聲干擾，從而確保了所采集信號(hào)的準(zhǔn)確性。該結(jié)構(gòu)是一種開(kāi)放型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)即具有微處理器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集站布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，完成所轄測(cè)點(diǎn)傳感器的激振、拾振、測(cè)量等一系列功能。這樣減少了數(shù)據(jù)的傳輸距離，簡(jiǎn)單準(zhǔn)確?？傮w來(lái)看，分布式系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、通用性強(qiáng)、擴(kuò)展維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the overall system structure

振弦式傳感器是目前國(guó)內(nèi)外普遍重視和廣泛應(yīng)用的一種非電量電測(cè)的傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)、受溫度影響小、性能穩(wěn)定可靠、耐震動(dòng)等一般諧振式傳感器的優(yōu)點(diǎn)［4］。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)，將采集到的張力信號(hào)再經(jīng)過(guò)RS-485總線和無(wú)線傳輸相結(jié)合的方式與PC機(jī)進(jìn)行傳輸通信。單個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 單個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of single system design

PC機(jī)通過(guò)串行通信模塊發(fā)送信號(hào)控制單片機(jī)開(kāi)始工作，單片機(jī)再通過(guò)激振模塊使振弦式傳感器起振，產(chǎn)生的毫幅級(jí)電信號(hào)通過(guò)拾振模塊進(jìn)行濾波放大和整形。同時(shí)利用振弦式傳感器所在的環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正。最后由單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)串行通信模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)顯示并分析。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的原理和特性，本系統(tǒng)選用單線圈型振弦式傳感器，采用軟件掃頻技術(shù)［5］使傳感器起振。

2.1 單片機(jī)控制器

由于本系統(tǒng)要求運(yùn)行速度快，且所在工作環(huán)境較差，所以需要抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行速度高、串口功能多的單片機(jī)。結(jié)合上述特點(diǎn)，選擇功耗少、體積小、易拆卸和不傷焊盤的貼片STC12C5A60S2單片機(jī)，其封裝為L(zhǎng)QFP-44。

2.2 串行通信模塊

由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采集的是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的各種應(yīng)力數(shù)據(jù)，并且這些應(yīng)力數(shù)據(jù)關(guān)系到基坑運(yùn)行的安全和整個(gè)基坑整體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的合理與否，所以對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性有很高的要求。PC機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232口，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，RS-232采用負(fù)邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20 m以內(nèi)的通信。而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，采用RS-485通信。MAX485接口芯片采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸;最大傳輸距離可以達(dá)到1.2 km;最大可連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器;功耗小，驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，傳輸速率高;完成TTL電平轉(zhuǎn)換等功能，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 激振模塊

一般單線圈振弦式傳感器的固有頻率范圍是400～4500 Hz，其輸出頻率隨振弦傳感器所受壓力的變化而變化。本系統(tǒng)采用軟件掃頻激振技術(shù)［6］。具體方法是:由參數(shù)輸入電路輸入掃頻信號(hào)頻率的上限值fmax和下限值fmin，并設(shè)置相鄰兩個(gè)掃頻信號(hào)頻率的差值Δf，將這些參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的片內(nèi)EEPROM中。這樣，輸出的激振頻率可控性好、速度快。

2.4 拾振模塊

由于感應(yīng)電勢(shì)的頻率就是振弦的固有頻率，所以對(duì)振弦頻率的拾取就是對(duì)線圈中感應(yīng)電勢(shì)的頻率拾取。拾振線圈中感應(yīng)電勢(shì)的頻率檢測(cè)電路由濾波放大電路、整形變換電路兩部分組成。

對(duì)整形后的信號(hào)進(jìn)行等精度測(cè)頻計(jì)數(shù)。等精度測(cè)頻技術(shù)［7］就是使用兩組計(jì)數(shù)器，其中一組計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)頻率F(由有源晶振產(chǎn)生)的信號(hào)計(jì)數(shù)值N，另一組(利用處理器內(nèi)部一個(gè)16位計(jì)數(shù)器)記錄被測(cè)頻率f的信號(hào)計(jì)數(shù)值n。通過(guò)軟件控制兩組計(jì)數(shù)器同時(shí)開(kāi)始、同時(shí)結(jié)束。利用等精度測(cè)頻公式f=nF/N可準(zhǔn)確地得到被測(cè)頻率f。

2.5 溫度調(diào)理模塊

由于傳感器零件材料熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致了溫度誤差，因此須選用適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償方法，以減少測(cè)量誤差。目前，溫度補(bǔ)償法分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。但是硬件補(bǔ)償存在一定的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的要求，而軟件補(bǔ)償則很好地解決了這一問(wèn)題。本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它具有傳感器、變送器與A/D轉(zhuǎn)換器三大功能，可直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)輸出。DS18B20將得到的溫度信號(hào)和其他相關(guān)信號(hào)一起輸送到單片機(jī)或上位機(jī)中，通過(guò)運(yùn)行補(bǔ)償算法達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.6 電源模塊

由于單片機(jī)所需的供電電壓為3.5～5.5 V，本系統(tǒng)采用12 V轉(zhuǎn)5 V的形式為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。該方法既簡(jiǎn)單又省電。

3 上位機(jī)部分

本系統(tǒng)是將下位機(jī)采集到的信號(hào)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)接收信號(hào)并處理分析顯示，遇到情況時(shí)及時(shí)報(bào)警［8］。系統(tǒng)采用 LabVIEW 編程語(yǔ)言［9］。該語(yǔ)言最主要的兩個(gè)特點(diǎn)是圖形化編程和數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)［10］。

上位機(jī)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面。

①用戶登錄界面

當(dāng)?shù)卿洷鞠到y(tǒng)時(shí)，操作人員需要持有正確的用戶名及密碼，否則無(wú)法對(duì)本系統(tǒng)的參數(shù)做任何的修改且不能保存數(shù)據(jù)。

②串口配置設(shè)置界面

該界面功能是控制程序的運(yùn)行、數(shù)據(jù)的讀寫及通信協(xié)議等相關(guān)內(nèi)容。

③監(jiān)測(cè)及報(bào)警界面

該界面主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。在上位機(jī)接到數(shù)據(jù)以后，將數(shù)據(jù)與設(shè)置的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平均值、累計(jì)值、速率等進(jìn)行比較。當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)警戒線時(shí)，對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)的指示燈會(huì)閃爍并發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)彈出對(duì)話框，顯示出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的原因。

④數(shù)據(jù)圖表顯示界面

該界面功能是線性顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)需要，可使用圖表工具對(duì)圖表進(jìn)行放大、平移等操作，并將同一個(gè)圖表中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)再線性地顯示出來(lái)，以便操作人員同時(shí)觀察不同觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)其進(jìn)行研究與分析。

⑤參數(shù)設(shè)置界面

該界面主要功能是根據(jù)選擇傳感器的不同設(shè)置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)內(nèi)容。不同基坑設(shè)置相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的警戒值，對(duì)于需要求平均變化速率的測(cè)點(diǎn)，可對(duì)其設(shè)置計(jì)算周期。當(dāng)設(shè)計(jì)值有所變化時(shí)，可以更改相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。

⑥數(shù)據(jù)回放界面

該界面功能是根據(jù)用戶需要對(duì)之前保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，可在數(shù)據(jù)回放歷史時(shí)間內(nèi)輸入需要回放的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)回放速度旋鈕，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放速度的調(diào)節(jié)。點(diǎn)選回放數(shù)據(jù)點(diǎn)下拉列表可選擇回放的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在時(shí)間項(xiàng)中寫入相應(yīng)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)定點(diǎn)查詢。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)回放按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇要回訪的表格文件。

⑦數(shù)據(jù)查看界面

該界面主要用于系統(tǒng)的調(diào)試，在使用過(guò)程中觀察數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的使用情況。點(diǎn)擊顯示按鈕可選擇顯示緩沖區(qū)。

⑧報(bào)表

該界面主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)表的選擇以及相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入，點(diǎn)擊打印按鈕可打印用戶所需報(bào)表。

⑨用戶退出界面。

該界面能夠?qū)崿F(xiàn)用戶安全退出系統(tǒng)，系統(tǒng)彈出會(huì)對(duì)話框詢問(wèn)用戶是否確定退出程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究對(duì)象是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且精度高、操作方便、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。采集者可以通過(guò)本系統(tǒng)隨時(shí)掌握土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況，了解臨近建筑物、構(gòu)筑物的變形情況，由上位機(jī)對(duì)比分析和及時(shí)報(bào)警［11］。這樣就能全面掌握基坑健康狀況，達(dá)到信息化施工的目的，提高工程質(zhì)量。

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