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1、基于嵌入式系统的桩根底检测仪的研制liujie导语：利用嵌入式系统的可裁剪性、便携性和低功耗等特点，研究反射波法测桩仪的数据收集硬件电路及其数据处理软件利用嵌入式系统的可裁剪性、便携性和低功耗等特点，研究反射波法测桩仪的数据收集硬件电路及其数据处理软件。首先分析影响测桩仪性能的构造，然后分别从硬件和软件方面介绍系统涉及的关键技术及设计的框架,最后提出对本设计的改良方案。近年来,以波动应力理论为根底的桩动测技术已获得广泛应用。它的根本原理是桩顶受到桩锤冲击后,根据桩顶实测力和加速度数据分析桩的完好性。基于此种方法的测桩仪设备轻便、灵敏，运输和现场安装的工作量小，测量效率高，耗时短，不易发生平安事
2、故。本设计利用嵌入式系统技术开发出具有实时收集数据、分析数据、本地给出处理报告功能的测桩仪。仪用具有自动调节信号增益、数据采样速度高、数据自动存储及整机自动化程度高等特点。2系统问题分析2.1现有测桩仪测桩仪完成数据收集与处理的工作现场环境一般较为恶劣，弥漫着各种干扰来自系统内部和外部，当被测信号很微弱时，有效数据就会被噪声“吞没，导致数据收集与处理误差很大，可靠性降低。有些测桩仪装备的收集系统的频响范围过窄，桩多处断裂时动测曲线无法反映，超浅部的桩身缺陷会导致测试盲区。现有的一些仪器大多采用基于软件的程控放大方式，降低了数据收集系统的采样速率，对于快速的小信号无法准确反映。2.2解决方法针对
3、干扰信号，本系统在数据采样前的硬件上首先将信号接入模拟低通滤波器，滤除高频噪声；在数据处理前期使用软件数字滤波器对引入的特定频率噪声进展带阻滤波。详细设计时，在A/D采样前增加模拟有源滤波器进展预滤波以限制信号带宽，去掉高于1/2抽样频率以上的高频分量，防止频谱混叠。传感器、采样/保持器、模/数转换器的参数指标对系统的频响范围有较大影响，选型时应从整体上权衡各部件的性能，寻求本钱和速率的最正确值。为了既提升测量精度又减小对测量速度的影响，系统采用全硬件的高速动态放大方式。3系统构造与关键技术首先进展功能分析，规划出系统的体系构造，列出各构件模块，然后进展底层的详细设计，最后完成系统的整合。测桩
4、仪的构造示意图如图1所示。测桩仪设备包含的功能模块有数据收集、数据处理含数字滤波、分析处理、图形显示及报表打印、数据存储，外部还需装备击锤及传感器。测桩仪的信号输入接口有3个，分别为速度传感器、有源和无源加速度传感器，它们通过模拟多路选择器选定一路有效信号进入模拟低通滤波器。滤波后的信号通过采样保持器后分为二路，一路进入低精度的模/数转换比拟器，实时监测信号的幅值范围并报告给控制单元，由其产生出相应的放大系数，对可编程放大器进展设置。另一路首先通过可编程放大器进展放大，然后进入高精度模/数转换比拟器，最后由控制单元设定放大系数并与放大信号同步存储。数据收集局部的构造框图如图2所示。一个采样周期
5、后，控制单元向处理器ARM申请中断，处理器读取数据信息后完成数据的预处理分析和图形显示，通过USB接口向上位机传输数据，以获得完好的数据分析和报表打印效劳。数据处理和数据存储局部的构造框图如图3所示。采样经过中，数据的放大倍数与测量结果的同步时序控制是硬件需要解决的关键问题。数字滤波、数据分析计算和指数放大显示是软件需要解决的关键问题。3.1硬件相关整个系统的构造包括数据收集、数据处理和数据存储，下面仅对局部关键技术进展讨论，随后描绘控制单元的实现。3.1.1动态放大技术由于反射波幅值变化范围大，为了使小信号也有较高分辨率，采用硬件自动实时选择信号的放大倍数，增加系统的动态范围。在最大量程下，
6、进展一次低精度A/D转换，控制单元CPLD复杂可编程逻辑器件读取转换值，编码存储进16位SRAM2个IS62C256级联，并给放大器送出当前信号的增益系数。由于设计中采用二个可编程放大器AD526串接，增益为1、2、4、8、16、32、64、128、256九种，所以对于双极性信号，低精度ADC必须采用10位以上的模/数转换器才能知足所有增益的放大。选用MAXl426型10位模/数转换器作为低精度ADC，AD1674型12位模/数转换器作为高精度ADC，以降低开发本钱。动态放大的构造框图如图4所示。利用CPLD的硬件可编程特性，将数据的采样放大与模/数转换时序设定为流水线方式，高精度ADC转换数
7、据时，浮点放大电路同步放大下一级信号。后级12位ADC进展模/数转换时，前级的10位ADC又开场了下一轮数据的转换。在本设计中，12位高精度ADC转换的时间长于前级放大环节的时间，流水线的耗时主要在后一级上。3.1.2超前触发技术为了保证采样波形的完好性，系统设计中利用CPLD与SRAM实现超前触发，即在触发前预存定长的信号转换数据。将触发电平编码以数字形式锁存在CPLD内部，与经过低精度ADC转换的数字信号进展比拟。当知足触发条件后CPLD能记录下SRAM内当前数据的地址，同时启动定时计数器，计数器满后停顿向SRAM内填充数据，一次采样操纵完成。3.1.3NandFlash的启动经过处理器选
8、用带有丰富控制器ARM9内核的S3C2410。结合处理器上运行嵌入式操纵系统的特点，选用64MB的NandFlashK9F1208UOM存储程序代码和受掉电保护的数据，2个16位的HY57V561632级联组成64MB的SDRAM存储运行程序代码和数据。系统的多阶段启动经过Bootloader如下所述：在第一阶段，处理器首先进展硬件设备初始化并加载第二阶段的运行代码至SDRAM，设置好堆栈后转入第二阶段的入口；第二阶段首先初始化所要使用的硬件设备，然后检测系统内存映射关系，把操纵系统的内核映像和根文件系统从NandFlash加载数据到SDRAM的内存空间中，再为内核设置启动参数，最后调用系统内
9、核，完成操纵系统的启动经过。3.2相关软件3.2.1嵌入式操纵系统的移植该系统平台基于嵌入式Iinux操纵系统设计，充分利用其强实时性和可移植性的特点。移植操纵系统以适应于本硬件平台需要编写二局部代码：一是前文所述的启动代码Bootloader；二是内核代码与硬件亲密相关的局部。内核代码与硬件亲密关联的代码大局部位于arch子目录中，而附加设备的驱动程序通常位于drivers子目录内。3.2.2数字滤波方式系统对速度传感器与加速度传感器的二种输入信号采用不同的滤波经过以适应其各自的特点。对于速度传感器的安装谐振场振荡器而言，恰当的数字滤波可以与之互补，进而拓展传感器的使用频率范围。因此这种信号
10、的数字滤波方式是在频域分析的根底上，以恰好滤去安装谐振场振荡器为原那么。可通过比拟滤波前后幅值谱曲线的方式来验证滤波是否恰当，选择安装谐振峰左侧第一谷处频率作为低通截止频率；用于加速度传感器的数字滤波，其使用原那么与速度传感器一样，但它的滤波经过是在积分之后进展。3.2.3显示处理与分析和测试程序系统首先提供测试结果的原始曲线，用来反映现场测试时的原始记录状态。但是原始曲线未经任何处理，经常不能明晰地反映桩身完好性特征。因此，为了准确地分析测量结果，单一的原始曲线是不够的，还需要经过具有物理意义的处理手段进展处理。这些处理手段包括旋转、指数放大和平滑等。另一点值得一提的是，为了进步时域分析结果的准确性与可靠性，以及分析所用途理手段的公道程度，提交曲线可以引入频域曲线与频域分析结果。对速度传感器而言，它为原始的幅值谱，对加速度传感器而言，它应是积分谱。4完毕语本文提出的设计方案具有低本钱和宽频响的特点。由于实验条件限制，数据收集的速度瓶颈是2个模/数转换器的转换速率，假如选用高速率的模/数转换器，并将高精度模/数转换器选为16位，系统的性能将得到大幅度进步。