基于PSoC的無線靜載儀采集系統(tǒng)

摘要：根據(jù)靜載檢測系統(tǒng)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的新需求，采用Cypress公司的CY8C24894芯片作為系統(tǒng)的主控部分，提出了基于子節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)三層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)、傳感器接口、無線傳輸模塊等硬件電路，給出了前端數(shù)據(jù)采集、通信控制等軟件流程，并成功實(shí)現(xiàn)US－BUART仿真串口通信功能。實(shí)際測試表明，該系統(tǒng)操作簡便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高，可廣泛應(yīng)用于樁基承載力的靜載試驗(yàn)中。

　　近年來，我國工程建筑事業(yè)開展迅猛，城市高層建筑也隨之得到了前所未有的高速發(fā)展。樁基的成樁質(zhì)量與其實(shí)際承載力關(guān)系到整個(gè)高層建筑的設(shè)計(jì)和安危，因此對于高層建筑而言，樁基承載力檢測非常重要。我國建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JCJ94－94）規(guī)定：對于一級建筑物以及缺乏可參照試樁資料的二級建筑物為確定單樁豎向極限承載力，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場靜載試驗(yàn)。

　　現(xiàn)有的靜載檢測儀雖然做到了白動化、智能化，但是都是基于有線連接方式的，并且所使用的8位MCS－51單片機(jī)功耗較大、功能較單一，數(shù)據(jù)盒與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)采用RS－232串口通信，無法適應(yīng)電子系統(tǒng)無線化、小型化、高效化、集成化、節(jié)能化的發(fā)展需求。并且新一代的PC機(jī)上的COM接口已逐浙消失，單獨(dú)設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)RS－232會帶來不必要的麻煩，開發(fā)帶有USBUART仿真串口的傳輸接口是當(dāng)今檢測儀器的發(fā)展需要。

　　PSoC的特點(diǎn)在于既具有8位微控制器的處理能力，又集成了多種可編程數(shù)字用戶模塊。值得一提的是，PSoC史無前例地集成了多種可編程模擬用戶模塊功能，將全數(shù)字式的微控制器設(shè)計(jì)與純粹的模擬設(shè)計(jì)相結(jié)合，是一種具有SoC的基本原理的、基于高度靈活且完全可編程混合信號的全新一代器件。

　　CyFi低功耗無線射頻技術(shù)開發(fā)簡便、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)精簡、可實(shí)現(xiàn)多信道跳變等特點(diǎn)，使其成為無線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新生力量，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車家電、智能建筑等多種無線控制應(yīng)用中。

　　CY8C24894是Cypress公司推出的帶有M8C控制內(nèi)核的PSoC可編程片上系統(tǒng)，系統(tǒng)資源中帶有USBUART傳輸模塊。本文圍繞這款高性能、低功耗的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)無線采集系統(tǒng)。

　　1系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理

　　系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)上傳部分。數(shù)據(jù)采集部分由5個(gè)子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)通過CyFi無線傳輸技術(shù)組成。其中，子節(jié)點(diǎn)又分為4個(gè)位移子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)壓力子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)的核心控制單元是PSoC可編程片上系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并控制CyFi無線模塊發(fā)送。另外，位移傳感器采用數(shù)字容柵式MS50傳感器，輸出量為數(shù)字信號。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器MPM480，輸出量為模擬信號，需進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

　　數(shù)據(jù)上傳部分由匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過USBUART傳輸技術(shù)組成，匯聚節(jié)點(diǎn)由基于PSoC可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)盒控制。數(shù)據(jù)盒通過CyFi無線模塊，收集到全部子節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲，當(dāng)?shù)玫缴衔粰C(jī)讀取數(shù)據(jù)命令后，通過USB接口模擬的串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 采集系統(tǒng)框圖

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 CY8C24894可編程片上系統(tǒng)

　　CY8C24894是一種高速低功耗的芯片，內(nèi)含的M8C處理器工作頻率最高可為24 MHz，工作電源為3．3 V或5 y。CY8C24894內(nèi)含1個(gè)XRES引腳支持系統(tǒng)內(nèi)串行ISSP編程和外部復(fù)位控制。并且，CY8C24894不需要外部晶振驅(qū)動便可以開始工作。CY8C24894包含7個(gè)lO端菅口：Port0、Polt1、Polt2、Port3、Port4、Port5 和 Port7，共49個(gè)GPIO。模擬系統(tǒng)包括2列6個(gè)可編程模擬模塊和模擬互聯(lián)邏輯，數(shù)字模塊包括1行4個(gè)可編程數(shù)字模塊和數(shù)字互聯(lián)邏輯，另CY8C24894片上還集成了16 KB的Flash程序存儲器，1 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲器。

　　可編程片上系統(tǒng)CY8C24894集成了全速USB通信模塊、2個(gè)帶32位累加的高速8位乘法器、多個(gè)SPI主、從設(shè)各、6～14位模數(shù)A／D轉(zhuǎn)換器、濾波器、最大增益為48的可編程增益放大器PGA、6～9位模數(shù)D／A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器等片上資源。