（测试计量技术及仪器专业论文）软土地基沉降监测仪的研究.pdf

摘要 针对我国目前高速公路软基沉降监测中的自动化程度及仪器可靠性低、数 据不及时、测量精度低等问题，本文作者提出采用集嵌入式技术、先进传感技 术、网络技术等为一体的新型沉降仪研究方案。具体研究内容如下： 1 在充分查阅国内外文献的基础上，提出基于高端拉绳式位移传感器和 a r m 7 的嵌入式技术新型设计方案。 2 进行了仪器的总体设计，包括机械系统和电子系统设计。机械系统包 括测头和测控箱的机械结构设计，电路系统设计包括s 3 c 4 4 b o x 的最小系统、 自动采集系统、人机界面显示系统和通信系统的电路原理图和p c b 设计，以及 相关功能驱动软件的编制。 3 设计了一种基于嵌入式实时操作系统 i a o s t l 和嵌入式d g u i 应用 平台，实现了系统启动加载程序b o o t l 0 a d e r 、p d o s i t 操作系统和心，g u i 图 形软件等系统软件平台的设计与应用，使仪器具有简洁直观的图形人机操作界 面。 4 进行了测控系统标定实验。利用一米测长机对仪器的核心部件拉绳式 传感器做了o 1 米范围的标定实验，用动态校准仪做了o 1 0 米的标定实验， 对研制的沉降仪系统做了满量程o 1 0 米测量比对实验，获得了仪器的重要精 度指标，由此对仪器的一些关键技术参数进行了分析，得到了一些有参考价值 的结论。 5 完成了仪器样机，测量分辨力：o 2 5 m m ，测量范围：0 1 0 m 。 本文研制的沉降仪提高了软基沉降监测的精度、效率和自动化程度，改善 了监测环境，减轻了监测人员的劳动强度，但是在触发瞄准的数学模型等方面 还有待今后做进一步的分析研究。 关键词。大尺寸测量；嵌入式仪表；软基沉降仪；拉绳式传感器： a b s t r a c t n o 、v t 1 1 e r ea r es o m ep m b l e i i l s0 nd e 2 雕圮0 fa u t o m a d z a t i o i l ，l o wr e l i a b i l i 吼b e l a t e d d 如，a n dl o wp r e d s i o nm e a s u r e m e n to fm o n i t o r i n ga b o u ts e m e m e n to ns o f t s o i l g r o u n di i ie x p r e s s w a yi no u r u n n y s oa u t h o rb r i n g sf o r w a r dan e ws t y l eo f r e s e a r c h p r o j e c to fs e t d 锄e n ti i l s 1 l m e n t o n血eb a s i so fe m b e d d e d t e c l l i l o l o 缈a d v a n c e ds e n s i n gt e c l l i l o l o g y n 咖o r k 僦l l l l 0 1 0 9 y s o m ew o r k sh a v e b e e i l d o n ea s f b n o w s ： 1 o nm eb a s i so fc o n s u m n ga 霉a to fr e f e r e n c e d1 i t e i 砌r ea t ) o u th o m ea n d a b r o a d ，an e ws t y l eo fp r o j e c tw 1 1 i c hi sb a s 酣o ns u p 酣o rd r a w 一砸r ed i s p l a c 锄e n t s e n s o r sa n d 锄b e d d e dt e c l l i l o l o g y0 na r m 7i sd e s i 朗e d 2 t h eo v e r a l ld e s i g no fi i l s 廿1 i m e i l ti sa c h i e v e d ，i n c l u d i n gl i ：i e i h 枷c a ls y s t 锄 a n dc i r c u i ts v s t e m m e c h a l l i c a ls y s t e l ni n c l u d e sm e c h a n i c a ls m l c t i l r ed e s i i mo f e x p l o 咖gh e a d ，m e a s l l r i n ga 1 1 dc o n 廿0 m n gb o x c i r c u i ts y s t e n li n c l u d e st l l e1 e a s t s y s t e m0 fs 3 0 埘b o x 、a u t o m a 石cg a m e r i n gs y s t e ：m 、m a n m a c h m ev i s i o ns y s t e m 、 c i r c u i t a ls c h 锄商cd i a g r 锄a n dp c bd e s i 朗0 fc o m m u i l i c a 矗o n ss y s t e r i l a l l d c o m d l e 石0 no fc o r i l a t i v ef u n c 吐o nd r i v es o f t w a r e 3 as o r to fa p p 五e de n n r o n m e 毗o nm eb a s i so fo p e r a t i n gs y s t e mu c ，o s - l lo f e m b e d d e dm o d ea 1 1 dr e a lt i m ea n d 锄b e d d e du c g u ii sd e s i 朋e d i ta c l i e v e sd e s j 印 a n da p p h c a t i o no fs y s t e ms o f t w a r ee n t i r o n m e n ts u c ha ss y s t e ms t a r t u pa i l dl o a d e d p r o 寥a mb o o tl o a d 在a n s p l a n to f “a o s i i ， l c ，g u i 铲印h i cs o f c v v a r ea p p l i c a t i o n a n ds oo n w 垴c h 碰f 砌l a c o n i ca n di n 加i t i o n i s 廿cm a n m a c h i n ev i s i o nf o r i i l s t n l m e n t 4 d e n l a r c a t i l l g t e s t s0 f m e a s u r i n g a i l d c o n t r o m n gs y s t e m a r e f i n i s h 甜d m w w i r ed i s p l a c e m e n ts e l l s o r si s t l l eh e a r to fi n s m h n e n t ，w h j c hu s i i l g m e a s u 血gl e n g t hi n a c h i n eo fo n em e t 盯m a k b sd e m a r c a t i r l ge x p 喇m e n t so fo 1 m e t e r a 1 1 dw h i c hu s i n gd ”删cc a u b r a d n gi 1 1 s 讥l m e n tm a l ( e sd e m a r c a 吐n g e x p e r i m e l l t so f o 1 0m e t e r s m e a s u i i n gc o n 仃a s tt e s t so f 0 l om e t e r so b t a i ns o m e i m p o n a n tp r e c i s i o ni i l d i c a t o r so fi i l s n l l r n 翎tt h r o u 处s e c t l e m e n ti n s m l m 吼t a 1 1 ds o m e s i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sa r eo b 掘i n e d 觚u g l 出ea n a l y s eo ft h ek e yo fi n s 仇l m e n t a l t e c 1 1 1 0 1 0 9 ) rp 猢e t 既 5 t h em o d e lo fi n s j m e n ti sf i n i s h e d ，t l l er e s o l v i n gp o w e ro fi n s m l m e n t i s ：0 2 5 i n m ，t h es c a l eo f m e a s u r 芒：i n e n ti s0 1o i t h i ss e m e m e n t 如s n l l m e n ta d v a n c e sp r e c e s i o n ， e f f i d e n c ya n dd e 2 碥e o f a u t o m a 石刎o no fm o n i t c 咖ga b o u ts o f c s o i lg r o u n ds e t 【l e m e n t ， i m p f ；0 v e sm e 饥v i r o n m c f l to fm o n i t o r i ng a n dl i 皿l t e n sm ei i l t e n s i t yo fl a b o rf 研w o r k e r s h o w e v 盯， i tn e e d sf u n h e rs m d yo nl m m e m a t i c a lm o d e l so f 砸g g e rc o m m a 石o na n ds 0o ni i l f u n l r e k e y w o r d s ：l a 曙e - s c a l em e a s u r e i n e n t ；e 玎1 b e d d e di n t e l l i g e i l t 血s m l m e n t ：s 0 矗一s o i l g r o u n ds e t t 】e m e n ti n s 帆l m e l l t ；d 豫w w i r ed i s p l a c e i i l e n ts e i l s o r s ； 第一誊绪讫 1 1 课题研究背景 第一章绪论 软土路基地质条件、路堤载荷条件和施工条件都具有复杂性，一般难以对 每种处理方法进行严密的理论分析，因此不能在设计时作精确的计算，往往只 能通过施工过程中监测和施工完成后的质量检验来保证工程质量。 软土地基路堤监测分为变形监测、应力监测和温湿度等其他参数监测。常 用的监测方法包括以下几种【l 】【2 1 【3 】【4 焖： ( 1 )地表沉降观测：监测仪器是地表沉降仪，由沉降板和沉降杆组成。 测量时将沉降板设置于路基中间，埋设在砂垫层内，用精密水准仪进行高程观 测而得到量。 ( 2 )路基内部沉降观测：土体内部沉降是通过在土体内埋设沉降标进行 观测的。沉降标分为分层标和深层标，分层标可以在一根测标上分别观测土体 沿深度方向不同层次的沉降量：深层标可测某一层顶面的沉降量。分层沉降 一般采用磁环式沉降仪观测；深层标采用在被测土层中埋设标杆并用水准仪测 量标杆顶端高程的方法进行观测。 ( 3 ) 地面水平位移观测：路堤范围以外的地基侧向水平位移和地表隆起 采用打设水平位移边桩进行观测，即稳定性观测。水平位移观测采用视准线法 或单三角前方交会法观测，地表隆起采用高程观测法。 ( 4 )地基土体水平位移观测：土体水平位移量是在观测点埋设测斜管， 由测斜仪测定任意深度处管的倾斜度，然后计算体的水平位移量及其方向。 ( 5 )地基孔隙水压力观测：孑l 隙水压力测试系统由孔隙水压力计和量测 仪器两部分组成。孔隙水压力值由频率仪测得的频率值换算得出。孔隙水压力 计的平面布点集中于路中心，并与沉降、水平位移观测点位于同一观测断面上。 钢弦式孔隙水压力计每种土层均要有测点，土层较厚时每隔3m 5m 设一个 测点，埋置深度及至压缩层底。 ( 6 ) 土压力观测：土压力测试系统由土压力计和量测仪器两部分组成， 用于测定路堤基底和土工织物底面基底反力。 ( 7 )单孔出水量观测：单孔出水量用体积法和称重法测量单孔出水量。 ( 8 )此外，还有基堤温度、湿度等项目的观测。 软土地基路堤( 下称软基) 监测的目的主要有四个：一是以监测结果指导 现场施工，确定和优化施工参数，进行信息化施工；二是根据监测结果，及时 发现危险的先兆，分析原因，判断工程的安全性，采取必要的工程措施，防止 轻土地基，互降自动监测仪的研究 发生工程破坏事故和环境事故；三是评价路堤工程的技术状况，检验设计参数、 设计理论的正确性；四是为设计、施工、管理和科学研究提供资料。据以上的 监测目的，按沉降速率从大到小，可把软基沉降监测分为三个时期：施工加载 期、预压堆载期和工后期监测，对三个时期的监测精度根据设计数据和行业技 术规范确定怕】。 修筑高层建筑物和高速公路是我国现代化建设和经济发展的重要标志和必 然结果。在沿海及内陆江河湖泊地区，其地基在处理前通常为软土。在软土地基 上修筑高速公路和铁路，软土地基在附加压力的作用下，就必然会产生变形( 主 要是纵向变形) ，从而引起高速公路等建筑物基础发生不均匀沉降，所以工后监 测一直是关注的焦点之一，由于监测手段的缺乏导致设计参数不足，增加了施工 的风险性。在我国，软土地分布范围较广，如：沿海软土( 滨海相、三角洲相、 泻湖相、弱谷相) 、内陆平原淤泥和淤泥质土( 湖相沉积、河流漫滩与废河道相 沉积) 、山地型( 谷地相) 等。特别是对于三角洲地区，由于淤泥层厚，软土的 工程性质极差，尤其是傍山地区软土易受到雨水浸泡而容易产生滑移、塌陷或滑 坡。地下水和矿物原料的超量开采也会造成地面的不规则下沉。这些因素给高速 公路软基沉降的预测与监测都带来极大的困难。有些高速公路在建成通车后不久 就因路基沉降过大而导致路面开裂或桥头错位，甚至经过多次翻修也未能整治病 害，在人力物力方面造成很大浪费和损失。例如，深汕高速公路四标实验段某断 面预测沉降1 5 0 c m 实际沉降达1 9 0 c m ；京珠高速公路广珠段k 12 + 7 8 0 处断面 预测沉降6 4 伽，实际沉降在未稳定的情况下已达2 4 0 c m ：宁波地区某段铁路发 生过l o o 多米软基突然塌陷，导致铁路通行中断。在我国北部寒冷地区存在冻害 的问题，这无论对铁路还是公路都是一个难以解决的问题。因此，为了积累必要 的工程数据，尽量将耗资巨大的路桥工程的损失降到最小程度，开展对软基进行 长期、重点监测是非常必要的。 目前软土地基路堤变形观测常采取的几种监测仪器，如：电磁式沉降仪、 干簧管式沉降仪、横臂式沉降仪、水杯式沉降仪及沉降板等，同测斜仪、土体 应变计等同类岩土监测仪器相比较，在精度和自动化程度等方面还存在很大差 距。目前在我国在大量使用的电磁式沉降仪还是采取人工读数和记录的方式， 己不能适应我国高等级建设项目的发展需求7 w 8j f 9 l i ”1 。 1 2 国内外研究动态 目前，各种刊物及著作中关于地基沉降的计算方法和预测研究方面的相关资 料的很多，自从t e r z a g l l i ( 1 9 2 3 年) 一维的有效应力原理及其固结理论问世以来， 地基沉降计算理论的研究己取得了长足进展，关于地基沉降问题已形成多种计算 2 第一章绪论 方法，大致可分为三类：一类是基于弹性理论的解析方法或称理论公式法：第二 类是固结理论结合多种本构模型的数值分析法：第三类是基于实测沉降时间过程 的各种经验推算法。这几种方法互为补充，已成为地基沉降计算的主要手段。自 上世纪5 0 年代以来，国内外不少专家进行了考虑侧向变形( 三向应力状态) 的沉 降计算方法研究，如黄文熙三维压缩法、l 棚曲e 应力路径法和司开普顿( s k e n l p t o n ) 一比伦( b j e r n 】m ) 半经验法等。用数值分析方法如b i o t 固结理论的有限元计算时， 对土体各种本构模型的识别以及模型参数的确定方面还存在着不同程度的困难， 而且在有限元分析中一些问题的处理、有限元程序中若干工程措施的处理，需要 迸一步的研究完善。由于软土作为特殊的工程材料，其特性复杂，无论传统方法 还是数值方法，本构模型存在的缺点己有共识，如参数的取得、屈服条件和破坏 准则的确定以及适用性等问题，除了模型本身的问题外还需依赖试验或者实测所 取得的参数及其技术水平。正因为如此，到现在仍无一种计算方法可以令人信服。 但一类根据实测资料推算沉降量与时间关系的反演预钡l 方法，如a s a o k a 法、指数 曲线法、双曲线法、星野法、对数曲线法及灰色预测法等方法己在工程中运用， 并取得了重大的学术价值和社会效益f l l 】f 1 2 】【1 3 】1 4 】【1 5 】。 软基沉降预测方法众多，各有其优缺点和适用条件，到底选择哪种方法很难 确定，这就需要根据实测资料进行综合比较，从中选择预测精度高的作为预测模 型。而这样的比较，计算工作量大，自动化程度低，工作效率也很低，不便于实 际工程应用。施工现场观测得到大量的数据，由于监测仪器的限制，这些数据都 是人工读取、记录、处理和管理的，其工作过程繁琐而且复杂，同时不可避免地 受到人为因素的影响，导致数据的错误。另外，对监测成果的分析以及数据的应 用也显得单一、零散，没有系统化、智能化地有效利用。 在软土地基路堤监测仪器中，在现有国内外产品中，可用于土体内部沉降 和水平位移监测的沉降仪需要人工读数外，其余基本都是数字化仪器，比如： 天津市国达测控技术有限公司生产的t g c j 型直读式沉降仪，加拿大产的 e p 一1 1 4 0 3 型磁环沉降监测仪，欧美大地仪器设备中国有限公司的c o n v e x 型 卷尺收敛计，美国达汉土工公司生产的波纹管式电磁沉降仪s o n d e x 和电磁式沉 降仪m a g n e te x t e n s o m e l e r 都是以特制钢卷尺为测量核心，采取人工读 数和记录，主要是钢卷尺没有机电转换装置，难于实现自动测量，而对于用于 原位变形测量的测斜仪h l c h n o m 蝴、渗压计p i e z o m e t e r 、水位计w j t e rk v e l h l d i c a t o r 和v w 温度计v wt e m p 觎l m r es e n s o r 等早己实现了电转换，配合自 动读数装置，如：多功读数仪d a t a m a t e m p ，c r l o x 数据自动记录仪c r l o x d a 协l 0 9 9 盯等，远程通信技术如g p r s 技术和监控中心的数据处理软件d a 诅 p r e s e n t a t i o ns o 脚a r e 就可以组成如图1 3 所示自动化远程监测系统蛉砑。从功 3 软地基沉晦自动监测仪自：研究 能上来分析，如图1 一l 所示，自动化监测系统可分为5 大部分：( 1 ) 传感部分， 如测斜仪；( 2 ) 数据存储部分，如c r l o xd a t al d g g e f ； ( 3 ) 数据通信部分， 如g p r sm o d 锄；( 4 ) 实时监测、数据下载部分，如监测中心的计算机；( 5 ) 数 据处理部分，如分析软件，得到监测结果。这也代表了岩土监测仪器的发展方 向f 3 】| 厕。 一 第四和第五部分 图1 l 自动化监测系统的组成 目前，从精度角度来讲，各种监测方法与国外同类仪器相比基本相差一个 数量级，前端的传感器还需要较大的改进，以尽快赶超国外先进水平；从测量 过程和数据处理角度讲，手工操作系统在软土地基路堤监测中被普遍地采用， 主要原因之一是劳动力价格便宜，国家的施工监测标准要求较低。但随着经济 的发展，监测范围的扩大( 如在崇山峻岭中人很难到达的地方进行监测) ，监测 要求的提高( 如实时监测) ，自动化监测系统的优点将逐步显现出来。我国进入 、t o 之后，外国先进的技术不断进入我国，也将促使我们选择精度高的监测 仪器和放弃落后的操作方法，如手工操作监测系统勰】i 矧f 枷。 1 3 研究目的和意义 课题的研究目的主要是为了减轻监测人员的工作强度、提高监测数据的密 度和精度，解决目前地基现场沉降监测的自动化程度和精度问题。具体是研制 数字式沉降仪，并采用传感器网络亿技术，将所有观测参数统一起来，再传送 到实验室的计算机中。这样，就可以实现网络化监测，主控室的计算机可以同 时监测若干个站点，并可实现长期监测，对超差情况可以及时报警，以达到土 木工程监测技术与工业监测技术同步发展的程度。这样可以提高监测的精度、 4 笋一章绪砣 效率和质量，改善监测环境，提高监测的档次和水平，和国际水平相接轨。通 过对磁环沉降仪的研究，放弃传统的钢卷尺式方案而采取新的拉绳位移传感器 改进电磁式沉降仪，以实现其自动化测量，提高沉降仪的测量精度，同时引入 嵌入式技术实现软土地基自动化监测，为其实现远程网络化监测奠定了坚实的 基础。 实际上，路基和路堤的沉降监测是软土地基施工中必不可少的一环，因此， 工程方面提出对软土地基的监测要求越来越多，监测对象也越来越广泛。为了 节约监测成本，往往是采用一台监测仪监测多个点，在监测频率、效率、数据 精度等方面都存在问题，特别是不能实时自动监测，操作不方便。鉴于这种情 况，急需一台自动化程度高的监测仪器。为此，本项目研制的沉降自动监测仪 及读数器，可以大大提高软基沉降预测的自动化程度，对提高我国建设工程监 测水平、用较小的投入降低这种高投入项目的风险性等具有重要意义。 1 4 论文完成的工作 本课题主要完成了软基沉降自动监测仪的研究及相关软硬技术的具体实 现。课题来自于国家质检总局科技计划项目“软土地基沉降自动监测仪”号： 2 0 0 4 q k 3 4 ) 。完成的主要工作和章节安排如下： ( 1 ) 查阅相关文献资料，确定测量原理、总体方案及关键技术，相关论 述见第二章。 ( 2 ) 第三章阐述了新型监测仪的硬件设计，包括测头和测控箱的结构设 计和电路设计等相关细节。 ( 3 ) 第四章介绍了基于嵌入式实时操作系统c o s t i 和嵌入式“c g u i 应用平台的系统软件设计过程。 ( 4 )第五章论述了监测仪测控电路软硬件研制过程中的要点和实验数 据分析等内容。 ( 5 )第六章进行了全文的总结和展望。 5 软地基沉降自留监潮仪的铲窀 第二章系统测量方案设计与分析 2 1 测量原理 现在大量使用的沉降仪主要由测头、测尺和指示仪表等组成，其实物如图 2 3 所示。这里的测尺是特制的钢卷尺，内部含传输信号的导线。在测量时预先 埋设的装置如图2 2 所示，在路基中间用钴机打孔至持力层，根据地质情况在 相应深度处安装磁环，下好沉降管后，用膨胀土封孑l ，以便磁环和地层同步沉 降，用沉降仪测量各磁环的位置，分别计算各地层的沉降量3 1 】【3 2 】。测量过程如 图2 1 示。 ， 图2 - l 传统测量方法功能框图 沉降仪所用的测头是根据电磁感应原理设计的。将磁感应沉降环( 也称作 沉降标) 预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位，当测头经过磁感应环时， 产生电磁感应信号并送至地面显示仪表显示，同时发出铃声或声光报警，当显 示仪表的指针指到峰值时，由人工读取孔口标记点上对应测尺的刻度数值，即 为沉降环的深度。每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。可将沉降 管埋设到持力层，所以绝对位移的基准点可以选取沉降管的上端口或下端口。 存在的问题是测量精度低。信号电缆线易疲劳折断，数据量少且不及时，数据 处理难度大。 图2 2 分层沉降仪设置示意图图2 3 电磁式沉降仪实物 6 簧二章系统：兰万藁设与分币 2 2 测量方案设计与分析 本项目所设计的软基沉降自动监测仪( 下简称沉降仪) ，主要是为满足待测 点无法接近的地基沉降监测，同时还可适应其它的类似监测的要求。由于此类地 基处理所需要的监测值为监测点下方土层内部各分层的压缩量，为此可利用地基 深层非压缩层的稳定性，在待测点处，用钻探设备将固定管垂直埋设至非压缩层， 作为与地基沉降相比较的参照物( 绝对基准) ，也可以以周围稳定水准点作为基 准。 为排除电缆易折断的故障，采用无线触发方式，因此需要在测头上安装磁感 应传感器和信号发射器，作为测量的瞄准装置，由电机拖动测头实现升降运动， 拉绳式传感器的钢丝随之同步伸长或缩迸。运动中测头感应到的沉降标位置信号 经过无线发射模块发出瞄准采样信号，测控机箱内的信号接收模块接收到采样信 号的同时，微处理器从位移传感器的输出端读取沉降标的位置数据( 代表该各层 的压缩量信息) ，由微处理器对数据进行数字滤波等预处理，并负责数据的显示、 存贮和远传等任务。测量功能框图如图2 4 所示。 图2 - 4 本项目拟采取的测量方案框图 本课题方案和传统方案比较，如图2 5 所示，采用了相近的测量原理，即 仍然需要磁环及钢片( 带动磁环与土层同步运动) 、p v c 管、波纹管的预埋设， 不同之处一是测头设计部分，安装短距离信号发射器，使采样信号由普遍采用的 有线方式变成无线方式，以克服其易折断损坏的问题；二是采用拉绳式传感器， 替代钢卷尺作为测量的核心传感器，前者可以输出电信号作为后续处理，而钢卷 尺由于没有机电转换，难于实现自动化的测量控制系统；三是采用微处理器，作 为系统的信号的处理中心，可以自动启动测量，读出传感器的电信号，取代原来 方案的人工读数、记录等，减轻了操作者的劳动强度，避免了人工读数误差。具 体的系统硬件设计见第三章。 7 轻地基沉酶自动监测仅皇：弘究 位移传感器 本课题测量方案 2 3 关键实现技术 图2 5 测量方案比较 2 3 1传感器耐r e s e n s o r 介绍 传统测量方案 本课题选用的是德国米铱公司的、m ) s p 1 2 0 0 特大量程恒力收绳式位移传 感器，型号为w d s l o p 1 2 0 0 一s r u 高精度线性位移传感器，如图2 - 6 所示，下 简称w i r e s e n s o r ，其测量原理如图2 7 所示。 ( 1 ) 测量原理： 恒力收绳式位移传感器通过一根高柔性不锈钢芯线同被测体相连，实现线 性测量位移。这根钢绳通过一个长寿命的弹簧轮绕在轮毂上。绕线轮毂轴同一 个多圈模拟或数字编码器连接，这样，把一个直线运动转变成旋转运动，转换 成一个电阻变化或数字增量变化，即电位器阻值或编码器脉冲数。传感器用集 成电路实现位移与输出电压或者电流成正比。 图2 - 6 传感器实物图 8 图2 7 原理示意图 筝二量 系统刷量方寨设哥与鲁斫 ( 2 ) 传感器技术参数： 测量范围：o 1 0 0 0 0 衄； 线性度：o 1 f s o ； 输出：电压o 1 0 v ； 工作温度：一2 0 8 0 ： 保护等级：p 6 5 ： 拉绳伸缩力：8 n m ) ； 1 2 n ( o u t ) ； 最大拉绳轴线不重合度：3 0 。 2 3 2 微处理器选型 在本课题里，结合项目的功能需求以及成本的考虑，我们选择s a r i l s u n g 公 司的s 3 c 4 4 b o x 芯片作系统的处理器1 4 “。本论文主要是选取具有代表意义的沉 降仪作为研究对象，并将其做成自动化监测仪器，将来可以将常用的监测项目 如体内部的分层沉降、水平位移、土压力以及温湿度等所有的电参数集中起 来，传到监控中心，所以这里选用了功能更强大的3 2 位微处理器。 常用的8 位单片机( 如a t 8 9 c 5 1 ) 价格十分低廉，体积小，功耗低，但一般 时钟频率比较低，且往往一个机器周期需要好几个时钟周期，因此效率很低， 处理速度比较慢，而且一般片内的资源比较少，不能支持较大的r a m 和r o m ； p c 机虽然功能全，速度高，但价格较贵，此外体积一般也比较大；d s p 虽然对 数据的处理能力很强，但一般的d s p 集成的外围单元比较少，其附加的功能少， 一般适合于对实时性要求很高的数据处理场合；3 2 位c p u 处理速度较高，性 能优良，适合于对运算速度有较高要求的场合，但以前由于其价格较高，在国 内并没有得到广泛的应用。随着集成电路产业的飞速发展，以往的3 2 位c p u 的价格不再是令人望而生畏了，现正广泛地应用于仪器仪表、手机、工业控制、 服务器、交换机、智能电器中，其中以a i t m 为内核的c p u 处于3 2 位嵌入式 c p u 的主导地位。 a r m 核结构是当今全球应用最为广泛的1 6 3 2 位嵌入式r i s c 的c p u 解决 方案。2 0 0 0 年世界r i s c 的c p u 出货量达5 4 亿片，a r m 独占7 7 ，其后依 次为m m s ( 占l l ) 、日立( 7 ) 和p o w 刚( 3 ) 等。可以说，a r m 核c p u 是 当今嵌入式r i s c 的主流。a r m 处理器具有以下3 个特点： ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能 a r m 采用的是r i s c 指令集，所有的指令长度都相同，这样可以简化设计， 降低成本。a r m 采用流水线结构，使得大多数的指令只需要1 个时钟周期， 9 软土地基冗降自动监们。 的拜究 从而带来了高效率和高性能。玳m 公司的x 8 6 系列由于为了向下兼容，只能 沿着c i s c 的路走下去，而删处理器面向的是嵌入式应用，大可不必考虑兼 容问题，它可以在吸取以往c p u 技术的经验，重新设计出比c i s c 性价比更好 的r 王s c 。 ( 2 ) 采用1 6 位3 2 位双指令集 a r m 核一般都有两套指令集：删指令集( 3 2 位) 和n u m b 指令集( 1 6 位) 。 舢t m 处理器是按照3 2 位设计的，但也配备1 6 位指令集，可以允许软件编码 为更短的1 6 位指令。与等价的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达 3 1 ，然而却保留了3 2 位系统所有的优势( 例如，访问一个3 2 位的地址空间) 。 ( 3 ) 全球有众多的合作伙伴 现在，有很多大公司都生产a 鼬核的处理器，就连玳t e l 、m o t o r o l a 这样的有自己的处理器技术的公司也纷纷向推出具有舢t m 核的处理器，可见 删核有相当的优势。这些公司一般是在删核外围加入一些接口、外设等 模块从而形成自己的产品。有的公司在芯片内部集成l c d 控制器、n a s h r o m 、 r a m 、u s b 、e t h e r n e t 控制器、d m a 等面向具体应用的功能模块，从而使得成 本更低，体积更小，可靠性更高。全球有这么多厂家推出各种不同系列的a r m 处理器，我们可以有很大选择余地，而由于其基本的体系结构却是一样的，使 得开发起来非常方便。有众多的厂家推出a r m 处理器，必然就会有相应的开 发平台推出。在这些开发平台里，有删公司的s d t ，a d s 软件平台，以及 其配套的m u l t i i c e 仿真器；也有其他公司推出的产品，如g r e e nh i l l s 公司的 m u l t i 2 0 0 0 软件平台，德国的l a u o e 而a c h 公司的豇认c e 3 2 i c d 通用仿真器，美 国的e p i 公司j e e n i 仿真器；国内的有上海祥宝科技有限公司的h i t 0 0 1 f o r a r m 开发平台，深圳的英蓓特信息技术有限公司的e 往l b e s tm e 开发平台。a r m 处 理器目前有五个系列产品：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，删l o ，a r m l l 和 s e c u r e c o r e 。其中a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适合应用于对价位和功耗敏感 的产品，它又分为应用于实时环境的a r m 7 t d m i 、删7 t d m i - s ，以及适合 于开发平台的舢t m 7 2 0 t 和适合于d s p 运算即支持的j a v a 的6 l i t m 7 日等。以 上可以看出，a r m 核的c p u 具有相当大的优势，以a r m 为内核的c p u 正 在以迅猛的速度发展着，目前国内正开始掀起一股删应用热潮，这对a r m 的研究及应用是很有意义的3 3 f 蚓【3 5 1 。 1 0 第三童硬件设计及开发 第三章硬件设计及开发 根据前文论述，为满足工程监测的需要，我们采用了德国进口的拉绳式位 移传感器w i r e s e n s o r 、无线瞄准技术和嵌入式技术等实现地基沉降监测仪的 研制。传感器的原理前文己说明，这里所说的无线瞄准技术是利用磁感应技术 和短距离无线发送接收技术获取地下预先放置的磁环( 沉降标) 确定位置的信 号，郎定位瞄准问题。 3 1 仪器的总体设计 沉降仪主要由测头、测控箱体、沉降标和p v c 管组成，其整体结构功能如 图3 1 所示。测头的功能模块包括机械装置和采样信号探测发送电路，测控箱 包括采集系统、显示系统、通信系统、中央控制器及最小系统等组成。整体结 构组装图见附件1 ，零件图见附件2 。 3 2 测头设计 用。 图3 1 沉降仪系统功能图 测头的作用主要有以下两点： ( 1 ) 同步运动，即带动拉绳式位移传感器测量端向下同步运动。 ( 2 )无线瞄准，即确定磁环的位置，获取测量信息，起到定位瞄准的作 轨二屯薹五降自爱监抛仪盯簪究 3 2 1 结构设计 测头外壳采用黄铜材料制成( 不能采用钢材，钢材能屏蔽掉套在沉降管外 磁环的信号) ，它内部装有磁场探测和无线发射模块电路、编码电路及电池供电 电路等。磁场探测采用进口的高灵敏度干簧管继电器( 动态定位误差小于 o 5 m m ，可以满足本项目要求) ，当测头移动到磁环附近时，磁场达到一定强度， 干簧管闭合，启动编码电路，将脉冲采样信号通过无线发射模块发送出去，从 而实现了磁环位置的定位。为了减少测量误差，传感器测量端运动要平稳。主 机一直在检测测头传回的采样脉冲信号，一旦收到信号，判断为正常信号就采 集传感器的位置信号，实现一次读数。 3 2 2 电路设计 根据测头的功能，将脉冲采样信号传送给地面测控箱内的微控制器c p u ， 需采用无线发送模块，考虑到成本、技术指标等因素，本项目采用的是三门峡 金聚宝电子公司的s p 多用途数据收发模块，测头内采用s p 发送模块完成采样 信号的传送。 s p 发射模块末设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管，这种结构 使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考 虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。这里采用编码集成电路 p 1 2 2 6 2 连接，直接将它们的数据输出端第1 7 脚接至s p 数据发射模块的输入端 即可。电路原理图如图3 - 2 所示。 图3 2 测头电路原理圈 1 2 第三堂硬哗设计及乒发 3 3 测控箱设计 3 3 1 机械结构设计 机械系统是承装仪器的载体，包括测头的设计与加工、传感器箱体的结构 设计和内部各个执行机构的设计等。 该测控箱主要包括位移传感器、电机、带轮、轴、支座和传送带等，如图 3 3 所示 3 3 2 测控电路设计 图3 3 测控箱立体结构图 测控箱内电路的主要功能是完成对沉降仪测量数据的自动采集、处理、存储、 显示和上传等功能。这部分是测量系统的核心，考虑到仪器功能要求、仪器功耗、 成本等因素，我们采用的是三星公司先进的r j s c ( r e d u c e dh l s 仇l c t i o ns e t c o m p u t 删内核处理器s 3 0 珥b o x ，这是三星公司专为手持设备和一般应 用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用删7 d t d m i 核，工作 在6 6 m h z 。为了降低系统总成本和减少外围器件，s 3 c 4 4 8 0 x 处理器主要有以下 特点踟： ( 1 )2 5 va r m 7 d t d m i内核带有8 k bc a c h e ( 高达7 5 m h z 的s a m b a 总线构) ： 1 3 轻土地葛五巨耋动监巩仪e j 石 ( 2 ) 可选的k t e f t i a is r 舢讧； ( 3 ) 外部存储控制器( f p ，l d o ，s d a m 控制、片选逻辑) ； ( 4 ) l c d c o n n d u e f ( 最大支持2 5 6 色s t n ) ，带专用d m a 的【c d 控 制器( 最大支持2 5 6 色d s l n ) ； ( 5 )两个通用的d m a 通道，两个带外部请求引脚的外围d m a 通道； ( 6 ) 两个u a r t ，一个s i o ( 破d a l o ，1 6 字节的f i f 0 ) ； ( 7 ) 一个多主控器的c 总线控制器和一个s 总线控制器； ( 8 )5 个p w m 定时器和1 个内部定时器； ( 9 ) 看门狗定时器； ( 1 0 ) 7 1 位的通用i ，0 接口8 个内部定时器； ( 1 1 ) 电源控制：n o m 如s l o w ，i d l e 和s t o p 模式： ( 1 2 ) 8 通道的1 0 位a d c ； ( 1 3 ) 带日历功能的实时时钟( i 淝) ； ( 1 4 ) 片上带p u ，的时钟发生器。 3 3 3 最小系统设计 以s 3 c 4 4 b o x 处理器为核心的最小系统包括电源及复位电路、系统时钟电 路、外部存储器电路和j t a g 调试电路等，下面分别介绍各部分电路的硬件设 计细节。 ( 1 ) 外部存储器设计 1 ) s 3 c 4 4 b o x 处理器的内存控制器可以为片外内存存取提供必要的控制 信号，它主要包括以下特点： 支持数据存储器的大小端选择( 通过外部引脚来选择) ； 地址空间包括8 个地址空间，每个地址空间的大小为3 2 m b ，总共有2 5 6 的地址空间； 一 所有地址空间都可以通过程序设定为8 位，1 6 位或3 2 位存取方式； 8 个地址空间中，b a n k o b a l l k 5 可支持r o m 、s r a m 等内存，2 个用于 r o m 、s r a m 和刚e d o s d r a m 等内存； 7 个地址空间的起始地址及空间大小是固定的，1 个地址空间的起始地 址和空间大小是可变的； 所有内存空间的存取周期都可以通过程序设定； 提供外部扩充总线的等待周期； 支持d r a m s d r a m 自动刷新； 支持地址对称或非地址对称的d r a m 。 1 4 第三置 礁t 设：呷- 及4 发 如图3 4 所示为s 3 c 4 4 b o x 复位后的内存地址分配图。从图中可以看出， 特殊功能寄存器位于0 x 0 1 c 0o o o o 加x 0 2 0 0o 0 0 0 的4 m b 空间内；b a n k 0 一b a n k 5 的起始地址和空间大小都是固定的：b 粕k 6 的起始地址是固定的，但是空间大 小和b a l l k 7 一样是可变的，可以设定为2 刚8 ，1 6 ，3 2 m b ，大小关系如表3 一l 所示 【3 8 】【圳【删【4 1 】。 o o 0 j c o e 0 0 0 0 o x o 歧 00 0 o x 。a 0 0 0 0 o x 。8 。o o x 0 6 0 0 0 x 0 4 0 0 o x 。2 0 0 。0 0 0 o x 0 c 0c l 瑚 o ) 国昭o 。 鞫苞射帕r 量群轼) e i a m 棚s n 勰剐蝴 r 晰t o 嗣瓢捌娴嗣x a m 砌瑚j t 龇卅 n g c s 6 s r o 耩 f n g c 8 5 l z ! w b s r o m f n g c s 4 1 z ! l jl 2 5 6 斟8 s a f 2 7 研 s r o m 3 捌b a c c e s s a b l e 融嘲 伽g c 8 3 j 1 s r o 铀 夏甄帕 n 8 2 l 8 r o 科 枷0 c 8 ， z 船 s i 踟埘如n c n r e 雪l s 塘f s 4 珀奶，l e s j s r 0 毛 i2 啪 f n s c s 1 图3 - 4s 3 c 4 4 b o x 复位后的内存地址分配图 表3 1b a f l l c 6 和b a n k 7 的大小关系 地址 l 2 m b i 4 m b i 8 m b i 1 6 m b3 2 m b b a n k 6 起始地址o x o c o o - ( x 啪帆o c l ) 0 二0 0 0 0 0 x o c ( ) 0 一o o ( ) 0撅0 c o o 一0 0 ( ) o 0 x o c o o - o o o o 结束地址 o x l f 箭fo x l f f f f fo x l f - 鲫0 x l f - 筒 0 ) c l f 箭f b a n k 7 起始地址o x o c 2 0 删)o x o c 加0 0 0 0 o x o c 8 0o o o o o ) 【o d o o0 0 0 0o ) ( 0 e 0 ( ) _ 一0 0 0 0 结束地址o ) 【c 3 f - f f f fo ) 【c 7 f f 搿o x c f l 解o ，【d 行f f f f0 ，