基于嵌入式系統(tǒng)的樁基礎(chǔ)檢測(cè)儀的研制

1 引言
近年來,以波動(dòng)應(yīng)力理論為基礎(chǔ)的樁動(dòng)測(cè)技術(shù)已獲得廣泛應(yīng)用。它的基本原理是樁頂受到樁錘沖擊后,根據(jù)樁頂實(shí)測(cè)力和加速度數(shù)據(jù)分析樁的完整性?；诖朔N方法的測(cè)樁儀設(shè)備輕便、靈活，運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量小，測(cè)量效率高，耗時(shí)短，不易發(fā)生安全事故。
本設(shè)計(jì)利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)出具有實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、本地給出處理報(bào)告功能的測(cè)樁儀。儀器具有自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)增益、數(shù)據(jù)采樣速度高、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)及整機(jī)自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)問題分析
2.1 現(xiàn)有測(cè)樁儀
測(cè)樁儀完成數(shù)據(jù)采集與處理的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一般較為惡劣，彌漫著各種干擾(來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)很微弱時(shí)，有效數(shù)據(jù)就會(huì)被噪聲“淹沒”，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集與處理誤差很大，可靠性降低。
有些測(cè)樁儀配備的采集系統(tǒng)的頻響范圍過窄，樁多處斷裂時(shí)動(dòng)測(cè)曲線無(wú)法反映，超淺部的樁身缺陷會(huì)導(dǎo)致測(cè)試盲區(qū)。
現(xiàn)有的一些儀器大多采用基于軟件的程控放大方式，降低了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率，對(duì)于快速的小信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確反映。
2.2 解決方法
針對(duì)干擾信號(hào)，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采樣前的硬件上首先將信號(hào)接入模擬低通濾波器，濾除高頻噪聲；在數(shù)據(jù)處理前期使用軟件數(shù)字濾波器對(duì)引入的特定頻率噪聲進(jìn)行帶阻濾波。具體設(shè)計(jì)時(shí)，在A/D采樣前增加模擬有源濾波器進(jìn)行預(yù)濾波以限制信號(hào)帶寬，去掉高于1/2抽樣頻率以上的高頻分量，防止頻譜混疊。
傳感器、采樣/保持器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的參數(shù)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的頻響范圍有較大影響，選型時(shí)應(yīng)從整體上權(quán)衡各部件的性能，尋求成本和速率的最佳值。
為了既提升測(cè)量精度又減小對(duì)測(cè)量速度的影響，系統(tǒng)采用全硬件的高速動(dòng)態(tài)放大方式。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)
首先進(jìn)行功能分析，規(guī)劃出系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，列出各構(gòu)件模塊，然后進(jìn)行底層的具體設(shè)計(jì)，最后完成系統(tǒng)的整合。測(cè)樁儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

測(cè)樁儀設(shè)備包含的功能模塊有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(含數(shù)字濾波、分析處理、圖形顯示及報(bào)表打印)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，外部還需配備擊錘及傳感器。測(cè)樁儀的信號(hào)輸入接口有3個(gè)，分別為速度傳感器、有源和無(wú)源加速度傳感器，它們通過模擬多路選擇器選定一路有效信號(hào)進(jìn)入模擬低通濾波器。濾波后的信號(hào)通過采樣保持器后分為二路，一路進(jìn)入低精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換比較器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅值范圍并報(bào)告給控制單元，由其產(chǎn)生出相應(yīng)的放大系數(shù)，對(duì)可編程放大器進(jìn)行設(shè)置。另一路首先通過可編程放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換比較器，最后由控制單元設(shè)定放大系數(shù)并與放大信號(hào)同步存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

一個(gè)采樣周期后，控制單元向處理器ARM申請(qǐng)中斷，處理器讀取數(shù)據(jù)信息后完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理分析和圖形顯示，通過USB接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，以獲得完整的數(shù)據(jù)分析和報(bào)表打印服務(wù)。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

采樣過程中，數(shù)據(jù)的放大倍數(shù)與測(cè)量結(jié)果的同步時(shí)序控制是硬件需要解決的關(guān)鍵問題。數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析計(jì)算和指數(shù)放大顯示是軟件需要解決的關(guān)鍵問題。
3.1 硬件相關(guān)
整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，下面僅對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論，隨后描述控制單元的實(shí)現(xiàn)。
3.1.1 動(dòng)態(tài)放大技術(shù)
由于反射波幅值變化范圍大，為了使小信號(hào)也有較高分辨率，采用硬件自動(dòng)實(shí)時(shí)選擇信號(hào)的放大倍數(shù)，增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。在最大量程下，進(jìn)行一次低精度A/D轉(zhuǎn)換，控制單元CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)讀取轉(zhuǎn)換值，編碼存儲(chǔ)進(jìn)16位SRAM(2個(gè)IS62C256級(jí)聯(lián))，并給放大器送出當(dāng)前信號(hào)的增益系數(shù)。由于設(shè)計(jì)中采用二個(gè)可編程放大器AD526串接，增益為1、2、4、8、16、32、64、128、256九種，所以對(duì)于雙極性信號(hào)，低精度ADC必須采用10位以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器才能滿足所有增益的放大。選用MAXl426型10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為低精度ADC，AD1674型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為高精度ADC，以降低開發(fā)成本。動(dòng)態(tài)放大的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

利用CPLD的硬件可編程特性，將數(shù)據(jù)的采樣放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)定為流水線方式，高精度ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，浮點(diǎn)放大電路同步放大下一級(jí)信號(hào)。
后級(jí)12位ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，前級(jí)的10位ADC又開始了下一輪數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中，12位高精度ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間長(zhǎng)于前級(jí)放大環(huán)節(jié)的時(shí)間，流水線的耗時(shí)主要在后一級(jí)上。
3.1.2 超前觸發(fā)技術(shù)
為了保證采樣波形的完整性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用CPLD與SRAM實(shí)現(xiàn)超前觸發(fā)，即在觸發(fā)前預(yù)存定長(zhǎng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。將觸發(fā)電平編碼以數(shù)字形式鎖存在CPLD內(nèi)部，與經(jīng)過低精度ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)滿足觸發(fā)條件后CPLD能記錄下SRAM內(nèi)當(dāng)前數(shù)據(jù)的地址，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器滿后停止向SRAM內(nèi)填充數(shù)據(jù)，一次采樣操作完成。
3.1.3 NandFlash的啟動(dòng)過程
處理器選用帶有豐富控制器ARM9內(nèi)核的S3C2410。結(jié)合處理器上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用64MB的Nand Flash K9F1208UOM存儲(chǔ)程序代碼和受掉電保護(hù)的數(shù)據(jù)，2個(gè)16位的HY57V561632級(jí)聯(lián)組成64 MB的SDRAM存儲(chǔ)運(yùn)行程序代碼和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的多階段啟動(dòng)過程(Bootloader)如下所述：在第一階段，處理器首先進(jìn)行硬件設(shè)備初始化并加載第二階段的運(yùn)行代碼至SDRAM，設(shè)置好堆棧后轉(zhuǎn)入第二階段的入口；第二階段首先初始化所要使用的硬件設(shè)備，然后檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)存映射關(guān)系，把操作系統(tǒng)的內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)從NandFlash加載數(shù)據(jù)到SDRAM的內(nèi)存空間中，再為內(nèi)核設(shè)置啟動(dòng)參數(shù)，最后調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核，完成操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程。
3.2 相關(guān)軟件
3.2.1 嵌入式操作系統(tǒng)的移植
該系統(tǒng)平臺(tái)基于嵌入式Iinux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分利用其強(qiáng)實(shí)時(shí)性和可移植性的特點(diǎn)。移植操作系統(tǒng)以適應(yīng)于本硬件平臺(tái)需要編寫二部分代碼：一是前文所述的啟動(dòng)代碼Bootloader；二是內(nèi)核代碼與硬件密切相關(guān)的部分。內(nèi)核代碼與硬件密切關(guān)聯(lián)的代碼大部分位于arch子目錄中，而附加設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序通常位于drivers子目錄內(nèi)。
3.2.2 數(shù)字濾波方式
系統(tǒng)對(duì)速度傳感器與加速度傳感器的二種輸入信號(hào)采用不同的濾波過程以適應(yīng)其各自的特點(diǎn)。對(duì)于速度傳感器的安裝諧振場(chǎng)振蕩器而言，恰當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波可以與之互補(bǔ)，從而拓展傳感器的使用頻率范圍。因此這種信號(hào)的數(shù)字濾波方式是在頻域分析的基礎(chǔ)上，以恰好濾去安裝諧振場(chǎng)振蕩器為原則。可通過比較濾波前后幅值譜曲線的方式來驗(yàn)證濾波是否恰當(dāng)，選擇安裝諧振峰左側(cè)第一谷處頻率作為低通截止頻率；用于加速度傳感器的數(shù)字濾波，其使用原則與速度傳感器一樣，但它的濾波過程是在積分之后進(jìn)行。
3.2.3 顯示處理與分析和測(cè)試程序
系統(tǒng)首先提供測(cè)試結(jié)果的原始曲線，用來反映現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的原始記錄狀態(tài)。但是原始曲線未經(jīng)任何處理，常常不能清晰地反映樁身完整性特征。因此，為了準(zhǔn)確地分析測(cè)量結(jié)果，單一的原始曲線是不夠的，還需要經(jīng)過具有物理意義的處理手段進(jìn)行處理。這些處理手段包括旋轉(zhuǎn)、指數(shù)放大和平滑等。
另一點(diǎn)值得一提的是，為了提高時(shí)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，以及分析所用處理手段的合理程度，提交曲線可以引入頻域曲線與頻域分析結(jié)果。對(duì)速度傳感器而言，它為原始的幅值譜，對(duì)加速度傳感器而言，它應(yīng)是積分譜。

4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出的設(shè)計(jì)方案具有低成本和寬頻響的特點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，數(shù)據(jù)采集的速度瓶頸是2個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，如果選用高速率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并將高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選為16位，系統(tǒng)的性能將得到大幅度提高。