張煜葵，吳 濤，周 穎，高 嘉

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)程不斷加快，地質(zhì)勘探和巖土分析的需求不斷上升。雖然社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)能力處于領(lǐng)先地位，但地質(zhì)勘探和巖土分析技術(shù)較為落后，缺乏創(chuàng)新。巖體分析過(guò)程主要存在設(shè)備擾動(dòng)大、執(zhí)行效率低、測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確、人工成本高，成套設(shè)施不完善等弊端。為此，本文將設(shè)計(jì)研究基于STM32芯片[1-2]的靜力觸探采集系統(tǒng)來(lái)改善這些不足。

靜力觸探實(shí)驗(yàn)(cone penetration test, CPT)是將一定規(guī)格的圓錐形探頭借助機(jī)械或液壓設(shè)備按照一定的速率(一般為2 cm/s)勻速貫入土中，并測(cè)量錐尖阻力qc，側(cè)壁摩擦力fs和孔隙水壓力u2隨深度變化的一項(xiàng)非常重要的原位測(cè)試方法[3-4]。本文設(shè)計(jì)研究了一個(gè)多功能靜力觸探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密合理、電路設(shè)計(jì)安全可靠、測(cè)試精度高、重復(fù)性好。此外，系統(tǒng)有效降低了勘探成本，為土木工程和地質(zhì)工程勘探實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的測(cè)試工具。

1 土類(lèi)劃分原理

靜力觸探劃分土層和土類(lèi)的方法主要有3種:目測(cè)經(jīng)驗(yàn)法、統(tǒng)計(jì)分析法和分類(lèi)圖法。其中最常用的是分類(lèi)圖法。分類(lèi)圖法采用雙橋探頭。當(dāng)探測(cè)過(guò)程中遇到相同的錐尖阻力，可以再用側(cè)壁摩擦力加以區(qū)分土類(lèi)，因?yàn)椴煌恋腻F尖阻力相同時(shí)，側(cè)壁摩擦力會(huì)不同；反之側(cè)壁摩擦力相同時(shí)，錐尖阻力不同。觸探參數(shù)與土類(lèi)的關(guān)系受多種因素的相互制約，使觸探參數(shù)交替重疊，但在復(fù)雜的關(guān)系中還是可以找出主要的趨勢(shì)和規(guī)律。此時(shí)，摩阻比是一個(gè)很重要的判別值，用它不但可以劃分出粘性土和砂類(lèi)土這兩大類(lèi)，還可以劃分出兩大類(lèi)之間的過(guò)渡帶即粉土等，表1是常用的劃分依據(jù)?？梢钥闯觯鶕?jù)摩阻比劃分時(shí)，土類(lèi)有交叉部分，此時(shí)，需結(jié)合模糊數(shù)學(xué)建立模糊元素陣，構(gòu)造權(quán)重矩陣，計(jì)算出不同土壤類(lèi)的比重。

表1 土類(lèi)劃分依據(jù)

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)和思路

靜力觸探采集系統(tǒng)由靜力觸探探頭、打壓設(shè)備、基帶板、上位機(jī)4個(gè)部分組成[5-6]。靜力觸探探頭內(nèi)部裝有若干傳感器來(lái)采集相關(guān)數(shù)據(jù)(傳感器部分)，打壓設(shè)備提供探頭貫入土壤中所需要的力，基帶板將靜力觸探探頭采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(數(shù)模轉(zhuǎn)換部分)，上位機(jī)(中央處理器與接口部分)則與基帶板進(jìn)行通訊，將采集到的數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲(chǔ)。本文重點(diǎn)研究基帶板與上位機(jī)的協(xié)同工作。其中所涉及的硬件總體框架如圖1所示。

圖1 硬件總體框架圖

3 基帶板設(shè)計(jì)和研發(fā)

基帶板主要完成傳感器信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)探頭傾斜、解析上位機(jī)指令和提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)這5個(gè)功能。為了使硬件系統(tǒng)靈活可靠，并且便于擴(kuò)展和維護(hù)，我們采用了模塊化設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊通過(guò)MCU(Microcontroller Unit-微型控制單元)聯(lián)系在一起。為了保證多個(gè)傳感器能同時(shí)完成多個(gè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和通訊，主控芯片需要選擇主頻高，有內(nèi)置存儲(chǔ)單元的芯片。本文選擇了有較好性能的STM32F103芯片和一些外圍芯片構(gòu)成基帶板。基帶板的整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 基帶板整體設(shè)計(jì)

基帶板系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：MCU、AD7799采集電路、電源電路、RS485、FLASH、ADLX345、DS3231和DS18B20。MCU類(lèi)比于整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。AD7799采集電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理。電源電路是系統(tǒng)的心臟，將輸入電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓和3.3 V電壓以供各個(gè)芯片正常工作。通訊部分我們采用RS485協(xié)議，負(fù)責(zé)下位機(jī)與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊。FLASH負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。ADLX345負(fù)責(zé)采集探頭的傾斜角度。DS3231負(fù)責(zé)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DS18B20負(fù)責(zé)采集土壤溫度，且后期可對(duì)靜探溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行溫差補(bǔ)償校正?；鶐О逭w工作軟件流程如圖3所示。

圖3 基帶板整體工作軟件流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)采集的精度直接決定了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的效果。對(duì)于數(shù)據(jù)采集芯片，我們選擇低功耗、低噪音、高精度的AD采樣芯片AD7799。AD7799芯片內(nèi)部主要由AD轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘產(chǎn)生器、串行通信等模塊構(gòu)成[7]。我們選用了ADR4525基準(zhǔn)壓芯片作為AD7799的基準(zhǔn)源，該芯片的誤差在±0.02%范圍內(nèi)。AD7799和ADR4525的硬件電路圖分別如圖4和圖5所示。在數(shù)據(jù)采樣過(guò)程中，為了提高采樣結(jié)果精度，將每一路數(shù)據(jù)分別采集15次，然后進(jìn)行中值濾波[8]操作。經(jīng)過(guò)分析，得到有效數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.4 s。

圖4 AD7799外圍電路圖

圖5 ADR4525外圍電路圖

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

靜力觸探系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)上位機(jī)，先存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器介質(zhì)中。由于靜力觸探系統(tǒng)探頭內(nèi)管直徑較小，電路板設(shè)計(jì)寬度需小于12 mm。并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不采用SD卡的方式，那么我們選用外部FLASH芯片W25Q128。W25Q128芯片具有16 Mbyte的存儲(chǔ)空間，編程/擦除次數(shù)可超過(guò)100 000次。經(jīng)過(guò)測(cè)試，W25Q128芯片可以存儲(chǔ)大約34小時(shí)的靜力觸探數(shù)據(jù)，而一次靜力觸探實(shí)驗(yàn)大約持續(xù)5到6個(gè)小時(shí)，則該芯片完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采取分組存儲(chǔ)方式。在程序中需要人為添加頭指針和尾指針。這些指針數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部的FLASH空間中。在上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇讀取指定編號(hào)組的數(shù)據(jù)。W25Q128外圍電路圖如圖6所示。

圖6 W25Q128外圍電路圖

3.3 探頭傾斜管控模塊設(shè)計(jì)

將靜力觸探探頭貫入土中時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控探頭的傾斜角度，并調(diào)整力的方向，以保證探頭垂直貫入土，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。因此，我們選用了ADXL345芯片。電容式三軸加速度計(jì)ADXL345分辨率較高(13位)、可以測(cè)量的加速度范圍較廣(±16 g)，且測(cè)量的數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出。此外，ADXL345的分辨率為3.9 mg/LSB，能夠測(cè)量1°以?xún)?nèi)的角度變化。ADXL345還可以根據(jù)采樣速率的不同自動(dòng)調(diào)節(jié)功耗，能有效的控制能量損耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)在野外工作的時(shí)長(zhǎng)[9]。

靜態(tài)角度測(cè)量原理是通過(guò)測(cè)量三維坐標(biāo)軸中的重力加速度分量值，經(jīng)過(guò)一定公式的推導(dǎo)，計(jì)算得到角度傳感器相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)初始位置的最終值。當(dāng)傳感器處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，如圖7所示，三維坐標(biāo)系中重力加速度分量值的大小分別為Gx=0,Gy=0,Gz=1g。當(dāng)傳感器位置變化到圖8所示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)位置時(shí)，重力分量將在3個(gè)軸上變化，這時(shí)可以得到3個(gè)軸重力方向的夾角。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 圖8 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

ADXL345的電路如圖9所示。ADXL345芯片可以采用SPI或IIC與單片機(jī)通訊。為了節(jié)省IO口，我們選用IIC。IIC為2線(xiàn)制，我們將IIC_SDA和IIC_SCL分別與單片機(jī)PF0和PF1相連。

圖9 ADXL345Z外圍電路圖

3.4 基帶板通訊模塊設(shè)計(jì)

采用RS485方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊。RS485總線(xiàn)傳輸速率有多種選擇，可以靈活的適應(yīng)不同設(shè)備的數(shù)據(jù)。并且RS485只需要1根使能信號(hào)線(xiàn)，2根數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)就可以完成信息傳輸。我們選用75LBC184芯片轉(zhuǎn)換電平，該芯片可以放10 kV靜電。75LBC184的外圍電路如圖10所示。

圖10 75LCB184外圍電路圖

3.5 時(shí)間同步模塊設(shè)計(jì)

采集的每組數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)時(shí)需要添加一個(gè)時(shí)間戳，我們采用DS3231芯片來(lái)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。DS3231時(shí)鐘1年的誤差在2 s以?xún)?nèi)。DS3231是低成本、高精度的I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘，內(nèi)部集成了溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，可以減小溫度對(duì)該器件的影響。同時(shí)，DS3231芯片有獨(dú)立的電池輸入端，即使在下位機(jī)斷電的情況下，仍然可以由電池單獨(dú)給該芯片供電來(lái)保證時(shí)間的準(zhǔn)確。DS3231芯片的外圍電路圖如圖11所示。

圖11 DS3231外圍電路圖

3.6 數(shù)字溫控傳感模塊設(shè)計(jì)

我們?cè)谑覂?nèi)進(jìn)行探頭標(biāo)定的工作時(shí)，環(huán)境溫度通常在25 ℃左右。但是巖土勘察現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的溫度與室溫有所不同，應(yīng)變片會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致其比例系數(shù)與實(shí)驗(yàn)室得到的標(biāo)定系數(shù)有一定的誤差。為了補(bǔ)償這個(gè)誤差，我們?cè)谧詈筇幚頂?shù)據(jù)時(shí)做了溫度補(bǔ)償。靜力觸探系統(tǒng)選用了DS18B20芯片來(lái)采集溫度。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的精度最大可達(dá)12BIT，采集范圍為-55～+125 ℃。DS18B20與MCU通訊只需要一根通訊線(xiàn)[11]，這也極大的節(jié)省了IO口。DS18B20外圍電路如圖12所示。

圖12 DS18B20外圍電路圖

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)和功能研發(fā)

靜力觸探實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理和計(jì)算分析系統(tǒng)[12]是基于Qt圖形界面框架和Access數(shù)據(jù)庫(kù)，采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)主界面如圖13所示。該軟件可以實(shí)現(xiàn)RTC時(shí)鐘設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、文件讀取等功能。

圖13 上位機(jī)主界面

4.1 RTC時(shí)鐘

在“脫機(jī)模式”工作狀態(tài)下，點(diǎn)擊“RTC時(shí)鐘”按鈕發(fā)送當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間給下位機(jī)，當(dāng)下位機(jī)設(shè)置成功后返回命令，消息面板提示設(shè)置成功。如圖14所示。

圖14 RTC時(shí)鐘設(shè)置

4.2 參數(shù)設(shè)置

下位機(jī)參數(shù)可分為設(shè)置頻率較高的采集參數(shù)以及設(shè)置頻率不高的硬件系數(shù)兩部分。在“脫機(jī)模式”工作狀態(tài)下“更新設(shè)置”按鈕有效，點(diǎn)擊則彈出對(duì)話(huà)框選擇要設(shè)置的參數(shù)類(lèi)型，如圖15所示。連續(xù)點(diǎn)擊彈出對(duì)話(huà)框的“確定”按鈕，則會(huì)向下位機(jī)發(fā)送參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，設(shè)置成功則會(huì)在消息面板中提示。

圖15 參數(shù)設(shè)置

圖16為硬件系數(shù)設(shè)置對(duì)話(huà)框，其中K1、K2、K3、K4分別為不同類(lèi)型承載力的特征值系數(shù)，例如F=K1*(f1-f2)。圖17為采集參數(shù)設(shè)置。

圖16 硬件設(shè)置選擇

圖17 采集參數(shù)設(shè)置

4.3 數(shù)據(jù)傳輸

串口打開(kāi)之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)以及命令通用協(xié)議為“起始符+長(zhǎng)度+命令標(biāo)識(shí)+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+結(jié)束符”。當(dāng)接收到下位機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)更新消息面板并按要求繪制相應(yīng)圖形。示例波形如圖18所示。

圖18 數(shù)據(jù)傳輸

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 探頭標(biāo)定

由于探頭的歸零和重復(fù)性誤差會(huì)影響探頭的測(cè)量精度，因此在靜力觸探實(shí)驗(yàn)中，靜力觸探探頭每隔一個(gè)月都需要進(jìn)行標(biāo)定。探頭標(biāo)定過(guò)程即通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備，給探頭施加連續(xù)的壓力，同時(shí)采集探頭的電壓值，以此來(lái)計(jì)算探頭采集數(shù)據(jù)的偏差性。某次使用本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)非線(xiàn)性誤差為0.114%，重復(fù)性誤差為0.109 3%，遲滯誤差為0.049 7%，歸零誤差為0.030%。以上4項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足行業(yè)需求。同時(shí)也可以輔以探頭的各方面維修，來(lái)確保探頭測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性?？梢钥闯鲈撿o力觸探系統(tǒng)精度高，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)，有潛力為工程前期分析提供支撐。

表2 探頭標(biāo)定數(shù)據(jù)

5.2 工程實(shí)例分析

廣州市南沙區(qū)某次靜力觸探實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖19所示。

圖19 錐尖阻力及摩阻比深度變換曲線(xiàn)

本次實(shí)驗(yàn)的土層是人工覆蓋了1.5米細(xì)砂層后的淤泥土層。本次實(shí)驗(yàn)共采集每隔10 cm做一次采樣，共獲得有效數(shù)據(jù)111個(gè)。根據(jù)第一章分類(lèi)圖法劃分土類(lèi)后，得到的結(jié)果如表3所示。表中的數(shù)據(jù)表示的是，土層首先經(jīng)過(guò)力學(xué)分成后，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)歸一化處理，各力學(xué)分層區(qū)段中，該區(qū)域?qū)?yīng)各類(lèi)土的隸屬度。可以看出比較符合工程實(shí)際。

表3 隸屬表

6 結(jié)束語(yǔ)

從目前初步的使用情況來(lái)看，該靜力觸探系統(tǒng)能夠完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，且該系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確、土體擾動(dòng)小、數(shù)據(jù)連續(xù)性好，采集的壓力值誤差在1%以?xún)?nèi)。

通過(guò)基帶板的設(shè)計(jì)，我們可以看出模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。將數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，探頭傾斜管控模塊，基帶板通訊模塊，時(shí)間同步模塊和數(shù)字溫控傳感模塊通過(guò)MCU相連，保證了傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸和通訊的高效。

通過(guò)上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)，提高了人機(jī)交互的可行性。通過(guò)RTC時(shí)鐘界面、參數(shù)設(shè)置界面和數(shù)據(jù)傳輸界面設(shè)計(jì)，使參數(shù)給定更加便捷。

對(duì)于高性能、低成本的STM32與各種外圍芯片相結(jié)合的基帶板軟硬件配置策略，我們可以看出該配置策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的巖體成分分析，并且分析結(jié)果較為準(zhǔn)確，可以應(yīng)用在多種模式下，完成對(duì)巖體數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸，為各種工程前期分析提供支撐。