（系统工程专业论文）基于嵌入式系统技术的桩基础检测仪的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第| l 页 a b s t r a c t t h ed e s i g nm e t h o d sa n dr e a l i z a t i o na b o u tp i l ei n t e g r i t yt e s t i n gs y s t e mb a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r t l l l e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o j e d so ft h es y s t e ma r es p e c i a l l ys t u d i e d t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf b l l o w s 1 1 1 ep e r f 0 肋a n c ec h a r a c t e r j s t i co “h ep i l e j n t e 鲥t yt e s t e r a n di h er e a l i z a t i o n m e t h o d so fh i 曲p r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma r es t u d i e dd e e p l yw i t ht h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m ，t h r o u 曲t h ea n a l y s i st ot h eh a c ks t r e s sw a v et h e o r yt h a tj s u s e dt ot e s f i n gt h ep i l ei n t e g f i t y a c c o r d j n gt ot h er e q u i r e m e n to ft e c h n i c a ld e m a n d s a n df u n c t i o ni e a l i z i n g ，ah o l i s t i cp r o j e c ta b o u td a t ac o l l e d i o na n d 锄a l y s i sb a s e do nt h e p i a t f o 瑚o fs 3 c e b 2 4 1 0 i sp r o v i d e d t h et e s t i n gs y s t e mi sm a d eu po ft h ec 0 1 i e d i o nu n i ta n dt h ep r o c e s s i gu n i t b a s e d o nt h ek e yt e c h n o l o 舀e ss u c ha sd y n a m i cm a 势i 母t e c h n o l o g y ，a d v a l l c et r i g g e r t e c l l i l o l o g y ，咐os t a g ep i p e l i n et e c h n 0 1 0 9 y ，d a t ac o l l e c t i o nu i l i ti sr e a i i z c d o nt h e d e m a l l do ft h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t ，l o o s e - c o u p l j n gp m c e s s i n gu n i ti sd e s i g l l e d i n f h ee n d ，e a c hf u n c t i o nm o d u l eo ft h ef e s t i n gs y s t e mi sd e b u g g e d f r o mt h er e s u l t ，t h e d e s i g l lo fe a c hf u n c t i o m o d u l ei ss a t i s f i e dw i t bt h et e c h n i c a ld e m a i l d s s o f 细a r ed e s i g n ，d e b u gm e t h o d sa n ds o f l w a r ed e v c l 0 p i n gn o w 酊ed i s c u s s e di n t h i s p a p e r ，w h i c hi sd i v e di n t o “v op a r t s o n ei sd a t ac o l l e c t i o ns o f c w a r et h a ti s d e v e l o p e di nt h eq u a n u se n v i r o n m e n t ，t h eo t h e ro n ei sd a t ap r o c e s ss o f t w a r et h a ti s r e a l i z e di nt h ee m b e s t1 d ee n v i 姗m e n ta n db a s e do nt h ep l a t f o 珊o fs 3 c e b 2 4 1 0 d e b u g 垂d g a 1 1 d t e s t i n gp 刊吣船a i l c e c h a r a c t e r i s t i co ft h ew h 0 1 es y s f e mj s a c c o m p l i s h e d ，f i o mt h ei e s u l t ss h o wt h a tt h ep i l et e s t i n gs y s t 锄i sah i 曲p e r f o n a n c e p r o c e s s j n gs y s t e mw i t hs t e a d yc a p a b i i i t y ，a c c u m c y ，a n di ss a t i s f i e dw i t ht h ed e m a n d s o ft h ep i l ei n t e g r i t yt e s t i n gs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | f 页 k e yw o r d sp i l ei n t e g r i t yt e s t ，b a c ks t r e s sw a v e ，d y n a m i cm a g n i f yt e c h n o l o g v ， a d v a n c et r j g g e rt e c h n o l o g y “_ ”_ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第】页 1 1 引言 第1 章绪论 随着电子技术的发展，嵌入式系统技术广泛应用于工程技术各领域。嵌入式 系统是应用于特定环境，面对专业领域的应用系统，其特点为：面向特定应用， 有实时要求；软硬件协同设计，有较好的升级换代能力；功耗与可靠性能严格保 证。它是计算机技术、半导体工艺、电子技术等与具体领域相结合的产物，它面 向用户、酝向产品，必须与具体应用相结合才具蔫命力，才能显示其优势。桩 基检测设备就是嵌入式系统技术的一个应用力 司。 桩基础作为一种最常用的基础形式在高层建筑、铁路、公路、水路工程等领 域得到广泛应用，尤其是一桩一柱大直径灌注桩的采用，对成桩的可靠性提出了 更高的要求，同时促进了对桩基检测技术的发展。目前国内外使用较普遍的桩基 础检测技术主要有：声波投射法、低应变动力测桩法、高应变动力测桩法等。其 中以应力波理论为基础的低应变动力测桩法得到快速的发展。它的基本原理是， 根据桩顶受到桩锤冲击下产生的动力波，由桩顶实测力和加速度数据来分析桩的 完整性。基于此种方法的测桩设备轻便、灵活，运输和现场安装工作量小，测量 效率高，耗时短，不易发生安全事故。 鉴于桩基动测技术潜在的社会效益，利用嵌入式技术的特点和原理，设计实 现一个完整的桩基检测嵌入式系统具有较大的开发价值。 1 2 桩基检测技术的发展及国内外研究现状 桩基动力检测技术最初是利用能量守恒定律和牛顿撞击定律，根据打桩时测 得的贯入度与打桩所消耗的能量建立关系式，推算桩的极限承载力，称为动力打桩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 公式。著名的有海利打桩公式、格尔谢凡诺夫公式等。近代的桩基动力检测技术 是在应力波理论的基础上发展起来的。桩基动测技术研究在我国始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 2 年，湖南大学学者周光龙提出了“桩基参数动测法”，对开创我国桩的 动测方法研究起了积极的推动作用。1 9 7 8 年东南大学学者唐念慈应用波动方程法 对渤海1 2 号平台钢管桩进行了动力测试，并获得成功。应力波反射法动力测桩， 以其测点广、经济、快捷、无损等诸多优点，成为目前人们所公认的桩基质量检测 的有效方法【“。 目前，市场上的桩基础测试仪种类繁多，国内的测桩设备有中科院武汉岩土 所的r s m 0 8 e 桩基分析仪器、武汉岩海公司生产的1 6 1 6 k p 高应变动力测桩仪、 国外有美国p d i 公司生产的p i l ed y n a m i ca n a l y z e r ( p a u 等【“。这些测桩仪 大部分属于分体式结构，主要由三部分构成：采集仪、便携计算机、电源。随着 测桩技术要求的不断提高，此类测桩仪显示出如下局限性： 系统整合性差，设备沉重，进出现场不方便。 集成度差造成现场连线繁琐，易产生接口故障。 功耗大、发热量高、可靠性差。 系统缺乏可扩充性。 测试软件接口不够友好。 1 3 论文的研究目标和解决的问题 从上述局限性可以看出，将采集仪、计算机和电源高度集成的一体化测桩仪 是发展的必然趋势。这样不仅使仪器的实用性和可靠性增强，而且其整机性能和 技术指标也较分体式仪器大为改善。论文从该点出发，设计出一套通用的、高度 集成的数据采集处理系统。 论文研究目标 构建高度集成的系统单元，简化现场联机操作步骤，提高设备易用性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 降低整机功耗， 改善人机接口。 提高动态范围， 需解决的问题 提高设备稳定性和可靠性。 拓展采样频带宽度，改善设备性能。 测桩设备的工作现场一般较恶劣，弥漫着各种干扰( 来自系统内部和外部) ， 当被测信号微弱时，有效数据可能被噪声“淹没”，导致数据采集与处理误差，可 靠性降低。 仪器多采用基于软件的程控放大方式，降低了数据采集的速率。 由于采集系统的频响范围有限，动测曲线无法反映桩身多处断裂时的状态， 超浅部的桩身成为测试盲区。 解决方案 硬件上将输入信号接模拟低通滤波器，滤除高频噪声；软件上通过数字滤波 器，对信号进一步高精度滤波。 采用全硬件的高速实时浮点放大技术，提升整个系统的测量精度。 整体权衡调整各部件的性能参数，通过选择传感器、采样保持器、模数转换 器的参数指标来提高系统的频响范围。 1 4 论文研究的主要内容及结构 1 4 1 论文研究内容 论文根据桩基础完整性检测原理，提出了系统设计的体系结构，分别对软硬 件两个平台进行研究设计和实现。 测桩仪硬件平台的设计思路是使系统具有可扩充性，数据采集单元具有通用 性，并与嵌入式系统集成，普遍适用于高精度、非高速的瞬态信号采样现场。主 要包括数据采集单元和处理单元。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 测桩仪软件平台的基本思想是各软件子模块具有较低的耦合度，可移植性强。 主要包括数据处理算法、a r m 软件开发平台的搭建及应用程序。 最后，通过实验给出有效、可靠的系统调试报告。 1 4 2 论文结构 论文讨论测桩仪在嵌入式平台上的实现过程，其结构如下： 第一章绪论部分，主要论述了本系统的研究背景、国内外概况，提出论文的 研究目标与方案，最后给出研究内容。 第二章基于桩基础检测技术的基本原理和嵌入式系统的结构特点，阐述桩基 础测试仪的系统框架。 第三章描述系统的硬件设计，对从数据采集到数据处理的各环节均进行详细 介绍。 第四章介绍系统的软件设计，包括数据处理算法、a r m 软件开发平台的搭建 及应用程序。， 第五章给出相关系统调试及测试分析。 结论总结了主要的研究工作，提出有待进一步解决的问题。 谣南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章桩基础测试仪的系统结构 2 1 桩基础检测技术 2 1 1 桩基础检测的方法 桩基石出是软土地区建筑物常用的基础形式，它把建筑物的结构载荷通过桩传 递到地基深部，从而满足建筑物合理的形变和基础沉降要求。在以现代建筑为特 征的大型土水建设工程甲，都会广泛使用到桩基技术。 低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作低幅 振动，利用振动和波动理论来判断桩身缺陷。低应变动测法主要用于检测桩身完 整性，还可以将结果进步分析计算得到动刚度，进而推求承载力。 2 1 2 低应变反射波法检测原理 低应变反射波法源于应力波理论，其基本原理是在桩丁页进行竖向激振，弹性 波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗界面( 如桩底、断桩等部位) 或桩 身截面积变化部位，将产生反射波。经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来 自桩身不同部位的反射信号。由此可计算桩身波速、判断桩身完整性和混凝土的 强度等级。 反射波法将单桩视为维匀质弹性体杆件，桩头受到瞬态脉冲力作用时，在 桩身中产生压缩应力，使桩质点产生运动( 记为压缩应力f 和质点运动速度v ) ， 应力波在桩身中的传播规律近似满足一维波动方程，根据一维波动方程分析导出 的反射波相位特征，是反射波法测试的主要依据。其简化线性波动方程是： 的反射波相位特征，是反射波法测试的主要依据。其简化线性波动方程是： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 碧一寺袅= o 协d 口2 tw a2x。 其中 v 。：、兰，表示纵向波的传播速度，它是由材料常数p 和e 决定的常值。 vp 由一维应力波传递理论可知，在桩头上施加一个作用力时，将产生一个沿桩 身轴向方向向下传递的应力波。若桩身混凝土处于连续状态，则直至传到桩底才 出现反射波信号。如果波在传播过程中遇到桩身中存在的断裂、夹泥等缺陷时， 会产生反射与透射，各界面反射波的曲线变得复杂，认真分析波形并选出可靠的 缺陷反射时间t ，从而得到缺陷部位距桩顶的距离l l = v d 。t 2 ( 2 2 ) 其中 v 。表示同一工地多根已检合格桩的桩身纵波速度的平均值。 2 2 系统实现方案 在利用反射波法检测桩基完整性的试验中，为了获得正确的桩身响应信号， 要求试验仪器应具备动态信号采集分析系统的主要功能，能够对振动量特征参数 ( 位移、速度、加速度和力) 的频率、幅值和时差等进行测试和分析。 根据上述需求，系统可划分为采集单元和处理单元两大部分，其中采集单元 包括动态放大、模拟滤波、高精度采样、数据缓存；处理单元包括数据的分析、 计算和图形显示。在采集单元里，传感器将反射波信号转换为电信号，送入动态 调整增益的放大环节，该环节自动对接收到的电信号进行调整放大，直至其达到 高精度采样的最佳识别状态( 模数转换器的1 2 量程附近) 。放大后的信号经高 精度模数转换部分转换为数字信号，进行本地缓存。个采集周期后，处理单元 读取采集数据，完成分析、计算和显示。将上述两个单元与嵌入式系统技术结合 起来，根据测桩系统的具体需求，对嵌入式系统迸行合理裁减，开发出一个完整 系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 同时l o a d 和s t o r c 多条指令，增加数据吞吐螽i 茧嘈景噱嘤海嚆烈篪雀；豇常当鞘磊驯到i 聚溜磐受矮矩拿霎碧太请渊礁强消旄狲融。簇摇茬整薯骞菪鞘嘏戮酚器掣譬嚣 誊；器搿鲤g 蠢；剿貉掣采掣氟黪釜再藕等携揭勘釉靴豳瞳， 复j 薹i ! 孽孬匹麓珥 曩惟蔫避童壤嘎一勰髫童别r g 引! 骢墓贿d 轩弘瞻妇乳j 带翮繇函嚣； 彰萎。 进行一次预采样，c p l d 根据粗测值进行编码，送给可编程放大器作为当前信号 的放大倍数，接着对放大后的信号进行第二次高精度a 册转换，从而得到具有较 高精度的测量结果。预采样a d c 采用1 0 位闪速型a d c 即能满足粗测精度和动 态放大的要求，由于1 6 位的a d c 价格较高，因此设计中采用1 2 位a d c 来实现 高精度转换。采集单元的结构描述如图3 2 所示。 图3 2 数据采集单元的结构图 2 、为保证采样波形的完整性，利用c p i _ d 实现超前触发技术，即在触发前预 存定长的信号数据。系统未进入触发状态时，每次经预采样a d c 转换的数字信号 都与触发电平码比较，若满足条件则实现触发。采样数据连续存入s r a m 中，当 满足触发电平后，记录下当前地址，同时启动计数器，计数器满后停止向s r a m 内填充数据，并向a r m 报告一个周期采样结束。 3 、利用c p l d的采样放大与模数转换的时序设定 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 o o p f 图3 3 二阶低通滤波器电路图 各电容视为开路，通带内的增益为1 。 n 节点的电流方程： 令c ，。= c 。= c ，r 。一r 。= r ，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数 v o ( s ) ta ，v ( 。) ( s ) ) = v n ( s ) 志 之 滤波器的增益为： a v ( 加器2 而五鑫可可 s ， 上式表明，该滤波器的通带增益应小于3 ，才能保障电路稳定工作。 将s 换成j ，令： 。2 对。；l r c( 3 4 ) 可得： 。丽去面 s ， 丸。瑶再茜孓 。5 当f = f 。，a ，；1 时，上式分母的模： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 解得截止频率 悟卜，：脊压 ( 3 6 ) p 厚- o s ，r o 。罴 ， 若f p = 1 0 5 k h z ，r c = 0 5 8 8 8 7 + 1 0 e - 6 ，选c = 1 0 0 p f ，r = 5 6 k 。 m u l t i s j m 9 的幅频响应和相频响应仿真曲线如图3 4 ，图3 5 所示。 图3 - 4m u l t i s i m 9 幅频响应仿真曲线 图3 5m u l t i s i | 1 1 9 相频响应仿真曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 3 ，1 1 3 浮点放大模块 浮点放大原理 浮点放大就是根据每个采样点的值来确定放大的倍数，与一般的程 控放大器不同，对不同的转换点，浮点放大器放大的倍数是不同的，或者说放大 倍数是“浮动”的。采样值经放大后再进行a 转换，整个采集系统送给计算机 的数据就由放大倍数和刖d 转换结果两部分组成，这样的数据有些类似于计算机 中的浮点数，相应地可称放大倍数为“阶码”，a d 转换结果称为“尾码”。整 个浮点数据采集系统的动态范围d r 等于a 仍转换器动态范围加上浮点放大器动 态范围，即： d r = 2 0 1 9 2 “+ “= 6 0 2 ( m + n ) ( 3 8 ) 式中m 为浮点放大器等效位数，n 为高精度a d 转换器位数。 浮点放大器放大倍数范围为2 0 2 9 ( 1 0 位的a d c 采样，双极性占去1 位，即 m = 9 ) ，动态范围为： d r = 6 0 2 ( m + n ) = 6 0 2 ( 9 + 1 1 ) = 1 2 0 8 ( d b ) ( 3 9 ) 浮点放大模块的硬件实现 浮点放大模块如图3 6 所示，主要由预采样转换电路、编码电路、可编程放 大器( p g a ) 组成。预采样转换电路完成信号量的瞬态保持和粗测，在本系统中 采样保持器l 肥9 8 和模数转换器m a x l 4 2 6 组成了预采样转换电路。预采样模数 转换器采用1 0 位的闪速型m a x l 4 2 6 ，它能在满足放大要求的条件下，以较高的 转换速度工作。根据预采样转换值输出瞬态信号所需的增益倍数，得到阶码。可 编程放大电路选用的放大器是a d 5 2 6 。它将瞬态信号取出，根据增益倍数放大输 出。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 预采样转换电路 图3 6 浮点放大的结构框图 系统采用m a x l 4 2 6 来完成预采样模数转换功能，它主要完成信号的粗量化， 以便实现其增益整定。m a x l 4 2 6 是具有1 0 m s p s 转换速率的1 0 位a d c ，芯片内 部集成采样保持器扩展了其动态性能。它采用流水线型结构，最大数据吞吐量的 情况下功耗为1 5 6 m w 。输入模拟信号的电平范围为+ 2 v 到2 v ，输入信号带宽为 1 5 0 m h z ，外部单电源+ 5 v 供电，采用内部参考电压方式运行。 m a x l 4 2 6 的转换输出数据值关系如表3 1 所示【4 2 1 。 编码电路 编码电路是连接预转换电路和可编程放大电路的纽带，其主要功能是根据前 级预转换的粗量化值确定合适的增益，提供给后级可编程放大电路，以保证较大 信号输入时，a d 转换不满格，较小信号输入时，a d 转换也有一定位数。 c p l d 根据得到的预采样数值向可编程放大器给出放大系数。由于单片 a d 5 2 6 的放大倍数最高为1 2 8 ，无法满足测桩仪的动态范围，所以本系统采用2 片a d 5 2 6 级联，扩展其增益倍数至2 5 6 。根据单片a d 5 2 6 的增益关系【39 1 ，可得 两片级联的增益关系如表3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 表3 1m a x l 4 2 6 的转换输出数据表 差分输入码值输出 + f l l l ls c a l e 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + f u l ls c a l e 1 l s b 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 + f u l is c a l e 一2 l s b0 1 1 1 1 1 1 1 0 l + 3 ，4 f u l ls c a l e 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 + 1 2f u l ls c a l e0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 + 1 ，4f u l ls c a l e0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 + ll s b ( 1 2 “9 )0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 b i p o l a rz e f o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 一1l s b ( 1 2 “9 )1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4f u l ls c a l e11 0 0 0 0 0 0 0 0 一1 2f u l ls c a l e1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 _ 3 4 f l l l ls c a l e 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 f u l ls c a l e + 1 l s b1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 f i l l ls c a l e 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表3 2 两片a d 5 2 6 级联的增益关系表( i n 表示第n 级连接) b 1a 2 1a 1 1a 0 _ 1b 2a 2 2a 1 2a o 2 g a i n 1 0 0ddxx1 1d010xx x 2 10l 03x x k4 1d110xxx 8 l1 xx10031 6 1lxx1 d0i3 2 l1x x1d106 4 11k x 1 bl11 2 8 11x x11kk 2 5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 为确保高精度a d c 的输入信号落在半量程左右，结合表3 1 和表3 2 ，对 m a x l 4 2 6 输出的转换值进行编码，其真值表见表3 3 。 从表3 3 中可以看出，该增益编码电路的逻辑功能相当冗杂，若用纯粹的门 逻辑电路搭建实现，必然使得系统变得复杂且不可靠，然而通过对c p l d 内部逻 辑编程实现增益编码功能不仅避免了系统设计的复杂度，而且增加了系统的稳 定一陛。 表3 3 输出电压值与放大倍数关系表( v p p = 4 ) 输出电压范围a d c 输出编码放大系数增益 ( a 2 2 艘1 ，a x 1 ，a x 1 ) l v o u t i l 2 v p p l o o o o o o o o o 0 1 1 1 1 1 1 1 1 13 0 0 01 1 4 v p p i v o u t i 1 2v p p 1 0 x x x x x x x x 0 1 x x x x x x x x0 0 0 12 1 8 v p p l v o u t i 1 4 v p p 1 1 ( ) x x x x x x x ，0 0 1 x x x x x x x0 0 1 0 _ 4 1 1 6 v p p l v o 咀t l 1 届v p p 1 1 1 0 x x x x x x 0 0 0 1 x x x x x x0 0 1 1b 1 3 2 v p p i v b u t i 1 1 1 1 0 x x x x x ，0 0 0 0 1 x x x x x0 1 0 0 1 6 1 1 6 v p p l ，6 4 v p p i v o u t h 1 1 1 0 x x 】( 】【o o 0 0 0 1 x x x x0 1 0 13 2 1 3 2 v p p 1 1 2 8 v p p l v b u t l 1 1 1 1 1 1 0 x x x ，0 0 0 0 0 0 1 x x xd 1 1 0 6 4 l 6 4 v p p 1 2 5 6 v p p j 、b u t i f 2 ) a 1 1 d + 4 ) s t r c c r 2 ，【r 1 】，槲 ；( 【r 1 = r 2 ) a n d ( r 1 + 4 ) b c c b 1：r 1 1 2 l d r r 1 ，= l i m a g e $ $ z i $ $ l i m i t l；t o po fz e r oi n i ts e g m e n t m o v r 2 柏 3 c m p r 3 ，r 1；z e r o i n i t s t r c c r 2 ，i r 3 ，槲 b c c b 3：r 1 - 1 上述代码实现了r w 数据的拷贝和z i 段的清零功能。其中引用到的4 个符号 是由链接器定义输出的。 i i m a g e $ $ r o $ $ l j m j l | ：表示r a s h 内r o 段结束地址加l ，也是r w 数据 源的起始地址。 j i m a g e $ $ r w $ $ b a s e i ：表示r w 段在ra m 里的起始执行地址，是编译选项 r w b a s e 指定的地址，也是程序里r w 数据拷贝的目标地址。 i i m a g e $ $ z i $ $ b a s e i ：表示z i 段在r a m 内的起始位址。 l i m a g e $ $ z 1 $ $ l i m i t l ：表示z 1 段在r a m 内的结束地址加l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 3 页 程序先把f l a s h 里l i m a g e $ $ r o $ $ “m i t | 开始的r w 初始数据拷贝到r a m 里 l l m a g e $ $ r w $ $ b a s e i 开始的地址，当r a m 这边的目标地址到达l i m a g e $ $ z i $ $ b a s e i 后就表示r w 段的结束和z i 段的开始，接下来就对z i 段进行清零操作，直到遇 到结束地址l i m a g e $ $ z i $ $ “m 斗 4 1 1 6 改变处理器模式 a r m 处理器共有7 种执行模式【3 3 u s r ：用户模式，即正常程序的执行模式。 f i q 二快速中断响应模式。 i r q ：一般中断响应模式。 s v c ：超级管理模式。 a b t ：出错处理模式，可实现虚拟存储器和存储器的保护。 u n d ：未定义模式，可用来支持硬件协处理器的软件仿真。 s y s ：系统模式，具有操作系统时，用来运行操作系统的特权任务。 除用户模式外，其它6 种都是特权模式。系统复位后，处理器自动进入缺省 模式s v c ，然后进行一系列的初始化操作，此时许多操作都需要在特权模式下才 能进行( 通过修改c p s r 来实现模式转换) ，所以不能进入u s r 模式。在堆栈初 始化阶段，会发生多种特权模式的切换。在最后阶段才把模式设置成用户模式。 所以内核的中断使能也是在最末进行，因为如果在系统初始化完成之前就触发了 有效中断，将导致系统死机。 4 t 1 7 呼叫主应用程序 所有的系统初始化工作完成之后，都需要把程序流程转入主应用程序。在本 系统中直接从启动代码跳转到应用程序的主函数入口，没有利用a d s 开发环境提 供的系统级呼叫。因为系统级呼叫一m a 抽0 是编译系统提供的一个函数，它负责 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 绘图区l c d 屏的坐标转换 为了在l c d 上能方便地绘制波形，需要将l c d 的坐标转换为绘制波形显示 的二维坐标。在绘制象素点的函数中定义：横坐标正方向向右，纵坐标正方向向 下。l c d 显示波形的区域为 ( 5 ，6 5 ) ，5 1 7 ，4 4 9 ) ) ，映射前的绘图区l c d 坐标见图4 6 。 在坐标转换的程序里，需将x 轴的点左移5 个单位，v 轴的点下移2 5 7 个单 位并反向。映射后的坐标图如图4 7 所示。 ( 5 ，6 5 ) ( 5 ，2 5 7 ) y l c d d 臂 ( 5 ，4 4 9 ) ( 5 1 7 ，6 5 ) 。触c d d 图4 6l c d 绘图区的坐标图 y w a v c ( o ，3 壤 ( o ，0 ) 卜( 翌 ( 0 ，3 ) 图4 7 波形显示坐标图 l c d 坐标与波形显示坐标的关系为： x w a v e = x l c d d 一5 ；( 4 1 ) y w a v e = ( 2 5 7 一y l c d d ) 6 4 ：( 4 2 ) 其中x l c d d 、y l c d d 分别表示l c d 的x 、y 坐标值，x w a v e 、y w a v e 分别表示波 形显示的x 、y 坐标值。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 0 页 波形的比例缩放与翻页 波形显示方法是每采集完一个周期的信号，刷新一次l ( 、d 显示屏。由于l c d 显示屏面积有限，如果将信号样本点与屏象素按一一对应的方式显示，则在许多 情况下信号在一个显示屏的范围内无法全部显示出来，波形的缩放就是在有限的 显示范围内显示指定的信号样本点，而且信号波形的形状保持较小的失真。缺省 状态下，为了便于分析信号的总体变化趋势，信号样本点全部压缩在一屏内显示。 用户也可以选择放大、缩小和下翻显示。 波形的缩放主要由间隔取数显示来完成。由于波形显示框的大小为5 1 2 t 3 8 4 。 对予特定的四种采样周期，不同的波形放大倍数用不同的间隔点取数来实现。表 4 1 给出了不同的采样周期数和放大倍数所对应间隔点个数的关系。 表4 1 波形缩放的关系表 编号采样周期数放大倍数间隔数 0 5 1 2 l 1 ( 表不尢间隔取数) 11 0 2 4l 2 ( 间隔1 个点) 2 1 22 0 4 814 22 4l 34 0 9 6l b 24 4 2 8l 翻页技术首先必须确定页首地址的值，页首地址与用户设定的显示比例相关， 所以需根据波形的放大倍数( 可从间隔数角度看) 来计算。相关公式为： 页首地址= 页数+ 5 1 2 + 间隔数，页数从o ，( 4 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 2 页 y l c d( o ，4 8 0 (0，li 弛l 蓁蓁：；孽蚕! 娶鬟墓，桌；蠹赣? j妻i 簦襄 笔j；d # l l ；蓑薹摹样囊；l 砰差鬲衙攀诮董圳堇警叫碴霉 雾；誊搿绣渤。 糯枣耀妒塞熹篓蚕蠹蕈委蠢逛莲鬻尝叁妻瑟藕悠陇誊蚤。曼胃羹爨黼褡扪群黼幕髯 1、中断服务程序清除启动转换信号，使数据采集单元停止工作，设置采集数 据有效的标志； 2 、中断服务程序清除c p l d 内的读取完毕信号( 向地址o x 2 8 0 1 f 0 0 4 写o x 0 ) ， 向c p l d 表示已识别中断： 3 、主程序检测到采集数据有效标志，调用采集数据读取程序； 4 、采集数据读取程序给出映射的s r a m 地址( s r a m 的地址空间为 0 x28000000ox2801efff)，读取sram的数据，由于sdram的响应速度比较 慢(70ns)，所以系统中将arm总线读取时钟设定为14个低速总线周期； 5、传输完毕后，采集数据读取程序设置读取完毕信号(向地址ox28010004 写oxffff)： 6 、退出采集数据的读取程序，一个周期的采集数据读取完毕。 4 2 4 采集数据处理程序 4 2 4 1 数据处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 7 页 频否孽g j 拦x i ；鞴r 彭矗缓定方巴靳 黉鬻錾蓠蠹枣晶躺* 鬻 l 蓄 盛囊攀筮摧一骡罢惶叁囊凳灞增坶雹；酌情况王弱羁捐羽霾| ；l ；i 黼掣囊簿赫 绨葛；碹薹妄| 至i ；”! ，i ；嚣龠蔓茧夔冀蓁箝赋舞藉； ，s ，；* l l ；1 2 1l | | | i 删- 。 ；”一i ； 萋磊甄；* ! 鐾；f i l * 镕i f i ；麓建a l t l 囊啭妄萋墓 蓦i | ( ，a m p a l = o ，a m p a 3 = 1 。 5 3 31 0 位a d c 的调试 m a x l 4 2 6 为1 0 b i t a d c ，电路中采用内部参考电源模式，其内部参考电源通 过下面的端口反映工作情况： r e f p 应输出3 2 5 v ，c m l 应输出2 2 5 v ，r e f n 应输出1 2 5 v 。 c p l d 向m a x l 4 2 6 输出1 m hz 的工作时钟，分别检测o v 、2 5 v 、2 5 v 的 转换值。 5 3 4 1 2 位a d c 的双极性调节 加+ 5 v ，+ 1 2 v ，- 1 2v 电源。c p l d 的调试模块以5 h z 的周期向a d c 发送转 换触发信号c o n v s t ，该信号要求最小的正脉宽为1 5 0 i l s ，由其下降沿触发转换。同 时与a d c 挂接的数据线设定为输入方式，否则c p l d 编译器将对没有操作的i o 口缺省为输出端口，并拉低为o 。 输入- 1 2 m v 用于调1 2正满偏信号误差，调节r 1 9 ，直到数据端口输出从 0 x 7 f f 变到o 】【8 0 0 ；输入+4 9 v 用于调正满偏信号误差，调节r 1 8 ，直到数据端口 输出从0 】【阡e 变到0 x f f f ；输入4 9 v 用于调负满偏信号误差，调节r 1 9 ，直到数 据端口输出从o x 0 0 1 变到o x 0 x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 9 页 s 2 = s i n ( 2 4 p i 81 0 0 0 0 + n ) + s i n ( 2 4 p i 4 8 0 0 0 4 n ) ； x i n = s 1 + s 2 ： x 1 = z c r o s ( 1 e n 舀h + 2 0 ) ； 数据长度不是阶数的整数倍 i fr e m ( 1 e n 醇h o l d ，m ) = 0 1 e n g t h - n e w = ( r o u n d ( 1 c n g t b 0 1 d m ) + 1 ) + m ； 将输入数据的长度补齐 f o ri = ( 1 e n g t h _ 0 l “1 ) ：1 e n 班h _ n e w x i n ( i ) = 0 ； e n d e n d t = l e n g t h n e 、) i 伽； x r e g = z e r o s ( m ，l e n g t h j e w ) ； f o ri _ ( 1 e n 垂h n e w - m “) ：一1 ：1 x r e g ( ：，i + m 一1 ) = x i n ( i + m - 1 ：一1 ：i ) ； e n d x 芎毒j 冀蓑! 誊j 善耄i l j 蛰氢 囊藉搭础崩掣在辐罕瘫时狲过u s b 口将处理软件下载到处理单元的目标板 上，然后用户启动采集单元采样，最后读取采集数据，串口给出的工作报告如图 5 - 3 x 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 5 页 5 3 5 调试存储器s r a m 与c p l d 和m c u 的总线接口 编写c p l d 程序，完成m c u 对s r a m 的读写操作，数据线的测试数据采用 0 x a a a a 、0 x 5 5 5 5 ，对于a r m 读、写数据的测试地址为o x 2 8 0 0 a a a a 和 0 x 2 8 0 0 5 5 5 5 。a r 隧萌馐崩淄獭嚏剜售口扪l e 出缔。嘈衙懈涮( 1 1 1 | 【屿墙m 膨懑拉，鞋( 1 l 删i 直接送出测试数据o x a a a a 、 o x 5 5 5 5 ，a r m 根据接收到的数据通过串口打印出来。根据这种方法来检测1 6 根 数据线，待数据线检测完毕后，再调试地址总线。同样送出测试地址o x 2 8 0 0 a a a a 和0 x 2 8 0 0 5 5 5 5 ，c p l d 将接收到的地址信号由数据总线传给a r m ，a r m 再打印 出来。这种方法很容易定位出总线出错的位置。值得注意的是c p l d 的寻址方式 为1 6 位寻址，a r m 为8 位寻址，因此c p u ) 对应的地址值等于a r m 地址右移1 位的值。 调试c p u ) 的中断审请操作，首先删打开外部中断踟3 并设置为低电 平触发方式，向c p l d 内的启动控制寄存器写入启动信号，然后c p l d 拉低中断 引脚。删识别中断后，对c p 加i 内中断控制寄存器写入中断结束信号，c p l d 退出中断请求，结束中断调试。 调试a r m 对s r a m 的读写操作，首先调节c p u ) 与s r a m 的接口，由c p u ) 向s r a m 的测试地址写入固定数据，并把它读取出来放在寄存器内。然后申请 a r m 中断，a 删在中断服务程序内把寄存器的数据读取出来，在串口打印。固 定数据调试完毕后再实现任意数据信号和地址信号的读写操作调试。调试过程中 发现，s r a m 的读写控制信号若由组合逻辑生成，将产生毛刺引发误操作，读写 的数据可能不正确，所以控制信号由时钟同步触发产生。并且a r m 向s r a m 写 入的数据需在c p u ) 内加级缓冲，因为s r a m 接收到的控制信号与数据线的延时 需要同步。 西南交通本芏雎毒丝茎盂差珙霉荟 曩；f 登 | 薹毫霹l i ! 妻；亭| i ；耋蚕孽孽孽；暑i ! 量l 莓2 孽 ；妻誊霎薹3 矗l ! 差：暑l i 霉黉j 妻e 璧耋喜薯塞耄i 等j i l 主童萋耋：囊i ! 墼瑚囊蚕粪薹霉羹鎏譬薹d 手啻雨黉委舀羹蠹兰舅誊掣枣萋誊燕蔫萎 建雀粤毒铬滢崤疆淫是蝗思蛱 i ? ；“ 女塑l 一目i j 罐l 一。鏖 l i i i 萼鹱 馨一! ：i 薹；i _ 月| l | 一i i 旺0 掣! 誊；i 靠j 篷墨嚣瓣裂嚣栗壶仑接靼 _ * ? i 9 ；j 茎 ；篓i ! ；l ：二羹妻耄 耋i 量i i i _ 羹! 孽? l 蠹毫孽 i # i i 蓦兰：l i i ! ! 囊j 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 0 页 结论 本论文基于嵌入式技术，运用低应变反射波法对桩基础检测系统进行了设计 和研制，主要完成了以下工作： 第一、在熟悉嵌入式系统架构的基础上，了解桩基础检测的专业背景知识和 国内外的技术现状、发展趋势，在系统功能和任务要求的基础上，确定了系统的 主要性能参数和研究方向。 第二、将硬件系统模块化，分配各个功能模块的处理任务。根据实现功能模 块的性能指标来确定主要器件的选择。硬件系统模块划分为数据采集单元和数据 处理单元。数据采集单元由高精度瞬态信号数据采集电路组成，在该电路中应用 了浮点a 国转换技术，运用了多种数据采样技术，提高了数据采集电路的动态范 围和采样精度。论文采用c p l d 来实现数据采集电路的控制逻辑设计，为系统的