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(jí)建筑物以及缺乏可參照試樁資料的二級(jí)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(dòng)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(huì)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(hào)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(hào)。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器MPM480，輸出量為模擬信號(hào)，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(chǔ)，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(dòng)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(chǔ)器，1 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。