（模式识别与智能系统专业论文）大坝边坡安全监测系统设计.pdf

摘要 摘要 我国大约有5 0 0 0 个大中型大坝，水利资源利用率约2 0 ，而在西方很多国 家已经达到9 0 以上。目前在我国有一大批正在建设和即将要建设的水电站， 如果大坝失事不仅将影响工程的正常施工和运营，还会造成人员财产的损失， 在某些情况下甚至会导致社会性灾难。安全监测对大坝的设计、施工、运行有 着很重要的作用，而高边坡的安全监测在整个大坝( 主要是深山峡谷中建设的大 坝) 安全监测中占有重要的地位。 本文针对青海拉西瓦水电站大坝高边坡安全监测的需要设计了一个大坝边 坡安全监测控制系统。整个系统包括底层测量模块、上层软件和通讯三个部分 的内容。本文将介绍底层测量模块和上层软件的相关内容。 底层测量模块的设计方面，本文将介绍模块的硬件和软件设计。硬件设计 方面，由于水利系统的特殊性( 信号弱，距离远、接线长短不定、干扰容易进 入，要求测量精度高、漂移小等等) ，所以本文主要是对各个传感器测量精度相 关的模块设计进行介绍。由于边坡监测的特殊性，本文还介绍了安全性如防雷 击和防潮方面的内容。在软件方面，主要介绍了整个系统流程以及软件上对数 据测量进行的误差分析和误差处理。最后，本文给出了一个测量模块其中一个 通道的测量数据，目前，对于传感器的测量精度已经基本满足水利系统的要求。 在上层软件方面，本文介绍了对边坡安全监测系统的人机交互界面的设计。 包括对出线图的管理、对用户的管理、对传感器的管理和查询等方面的内容。 另外，为了实现和底层测量模块的通讯，本文还介绍了串口通讯的相关内容。 为了对数据库进行操作管理，本文还将介绍界面与数据库的接口设计。 关键词：边坡安全监测c 8 0 5 1 f 测量人机交互界面数据 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盗堕 2 ) 。罟年明牛日 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍大坝边坡安全监测系统的研究意义和研究现状，然后对边坡 安全监测系统和常用于边坡安全监测的传感器进行介绍。 1 1 边坡安全监测系统的研究意义和研究现状 我国大约有5 0 0 0 个大中型大坝，水利资源利用率约2 0 ，而在西方很多国 家已经达到9 0 以上。目前在我国还有一大批正在建设的和准备建设的水电站， 如果大坝失事不仅将影响工程的正常施工和运营，还会造成人员财产的损失， 在某些情况下甚至会导致社会性灾难。安全监测对大坝的设计、施工、运行有 着很重要的作用，而高边坡的安全监测在整个大坝( 主要是深山峡谷中建设的大 坝) 安全监测中占有重要的地位。因此，设计一套边坡安全监测系统有着非常重 要的意义，主要表现在： 1 、高边坡的特征是涉及的区域大、边坡高陡。人工测量有困难，特别是在 气候恶劣和夜间监测时的难度更大。在强风，降雨等恶劣气候作用下时，边坡 的稳定性受到影响较大，而此时却是普通人工观测无法正常进行的时刻，可能 会因此丧失最佳预报时机。 2 、观测人员的责任心及人员的工作经验都将影响监测结果，采用普通人工 观测时，不可避免的会出现人为误差或错误，可能会对监测资料的后期分析带 来不必要的误导和麻烦。同时，采用人工观测耗费大量的时间，人力，物力等 资源，一定程度上造成资源的浪费。 另外，高边坡人工监测周期太长，根据以前的合同规定一般1 0 天左右循环 测量一遍，当存在边坡稳定问题时，也许边坡失稳仅仅在三五天内就能发生， 而按照普通人工观测的周期判断，普通人工观测可能无法及时捕捉边坡的变位 信息，因而无法及时起到预警预报的作用，可能会为工程造成巨大的损失。 3 、高边坡人工监测时，监测人员自身的安全问题比较突出。由于边坡陡峻， 监测人员每次监测都冒着生命危险。雨季来临，根据以往的经验，每次雨后边 坡上部的落石较多，而这时往往又是边坡变位发展最快的时候，需要及时监测， 掌握边坡变形动态。另外，当边坡变位有加速趋势时，需要晚上进行加密监测， 这些都对监测人员的安全构成了威胁：同时也对施工设备等设施构成威胁1 4 、安全监测系统能保证监测数据的完整性。若数据不完整，数据处理分析 就成无源之水，无法正确评价、评估高边坡的安全性。高边坡传感器的选用、 第一章绪论 系统的支护设计、高边坡应力应变理论的分析都需要建立在多年大量可靠的数 据之上，才能验证设计及计算理论。这将给今后的设计施工提供可靠的理论基 础。 5 、一座大坝需要1 0 0 多年以上的运行。在运行期内，遇到天灾( 地震、水 灾、战争等) 时，需要对大坝进行及时分析、判断及其的处理设计。只有精确 的监测数据( 自动化监测) 才能提供实时分析、评估以及最优的决策支持。 目前我国正在深山峡谷地区建设一批水电站，高边坡的稳定问题是这些工 程所面临的共同技术难题，安全监测是掌握边坡稳定状况的有效手段。但是， 高边坡监测和常规的大坝监测相比有其特殊性，实现自动化监测存在技术上需 要克服的难题，例如拉西瓦大坝的8 0 0 多个传感器分布在方圆1 0 k m 以内，现 有4 8 5 总线根本无法满足高边坡安全监测自动化的需要。首先高边坡的安全监 测和大坝安全监测相比，具有监测仪器布置比较分散和点多面广的特点，如果 将仪器的信号引到几个大的测站，则电缆数量较大，一方面会导致电缆数量增 加较多，增加工程投资，另外电缆数量加长后会造成信号的衰减增加，影响监 测精度；其次，高边坡监测的重点时段是在施工期，而大坝的监测重点时段是 在运行期，现有的4 8 5 总线根本就无法在施工期建立起自动化系统，所以到目 前为止，国内电站高边坡监测实现自动化监测的屈指可数。 1 2 边坡安全监测系统介绍 本文的研究内容来自于青海拉西瓦水电站的大坝高边坡安全监测项目。拉 西瓦水电站右岸高边坡的相对高差4 0 0 米以上，高边坡的工作性态直接影响到 工程的施工安全。右岸高边坡的稳定性将直接影响大坝施工、进水口施工的安 全以及缆机的正常运行。因此，快速、准确地了解、掌握右岸高边坡变形特性 显得尤为重要。对现有监测资料的分析表明，边坡位移受到开挖爆破和降水等 环境量的影响较大。特别在坝区施工高峰期或环境条件十分恶劣时，右岸高边 坡安全监测采用自动化监测显得更为重要和必要。 根据西北院的规划报告，监测系统主要具备以下几个功能和特点： 1 、监测数据的自动采集和存储； 2 、监测数据计算分析、处理与系统整编； 3 、对边坡进行实时监控； 4 、计算机远程通讯； 5 、自检及系统硬件故障报警； 6 、多功能硬、软件，且能兼容不同类型仪器： 2 第一章绪论 7 、具有人工观测接口和外部数据输入接口； 8 、各项指标完全满足现行规范要求。 本文将主要介绍与传感器测量相关的内容，包括底层测量模块的软硬件设 计，上层人机交互界面的设计和用于管理监测数据的数据库的设计。在1 3 和 1 4 节中将分别对c a n 总线和几种边坡安全监测常用的传感器进行介绍，由于 本项目中并未用到钢弦式锚索测力计，所以本文只针对前几种传感器的进行设 计。 1 3c a n 总线介绍 c a n 是控制器局域网c a n ( c o m o l l e r 心e an e t 、v o r k ) 的简称，最早由德 国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规 范现已被i s o 国际标准组织定为国际标准。由于得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p 1 1 i l i p 、 s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，广泛应用于离散控制系统( 邬宽明，1 9 9 6 ) 。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。不过其 网络模型结构只有三层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用 层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高在4 0 m 内可达1 m b p s ，直接传输 距离最远可达1 0 k m ( 5 k b p s ) 。每条总线可挂接节点数多达1 1 0 个( 阳宪惠，1 9 9 9 ) 。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效数据为8 个字节，正因为如 此，每帧传输时间短，受干扰的概率也就低。加上优良的仲裁和同步机制、报 文自动过滤重发、总线错误检测机制，使得c a n 总线特别适用于实时性、稳定 性要求高的网络( c e n ag ，2 0 0 0 ) 。 由于通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力和扩展能力强以及控制简 单、应用成本低等优点，c a n 总线的应用范围早已不再局限于汽车工业，已经 被广泛应用于过程控制、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、 医疗机械以及传感器等工业控制领域，并在现场总线的实际工程应用中占了较 大的份额，例如在国内，主要应用的三种现场总线所占市场份额分别为：c a n 总线超过6 0 ，l o n 总线约3 0 ，基金会现场总线( f f ) 接近1 0 ( 史久根， 2 0 0 3 ) 。 总结c a n 总线的优点，突出表现在其结构简单、稳定性能高、抗干扰能力 强、扩展性和开放性好，以及成本低廉等方面；而缺点则是传输报文短，限制 了大批量数据的传送效率，例如视频监控、大数据文件传送等应用，不如传统 的r s - 4 8 5 4 2 2 总线网络实用，另外由于网络模型简单，系统设计需要从底层开 始，难以实现较为复杂的高级应用，开发工作量也相对较大。 3 第一章绪论 址：钢丝变形增量； l ：钢丝长度。 l 一钢丝；卜钢丝硐定点 图1 4 1 钢丝变形 图由图1 4 1 可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化是线性关系，测 定电阻变化利用式( 1 4 1 ) 可求得仪器承受的变形。钢丝还有一个特性，当钢 丝感受不太大的温度变化时，钢丝电阻随其温度变化之间有如下近似的线性关 系： 岛= r ( 1 + 口丁) ( 1 4 2 ) 在上式中： 吩：温度为t 的钢丝电阻； ：温度为o 的钢丝电阻； 口：电阻温度系数，一定范围内为常数； t ：钢丝温度。 只要测定了仪器内部钢丝的电阻值，用式( 1 4 2 ) 就可以计算出仪器所在 环境的温度。 差阻式传感器基于上述两个原理，利用弹性钢丝在力的作用下和温度变化 下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两根钢丝用特定方式固定在两根方 形断面的铁杆上，钢丝电阻分别为r l 和r 2 ，因为钢丝设计长度相等，r l 和r 2 近似相等，如图1 4 2 所示。 图1 4 2 差阻式仪器原理 5 第一章绪论 卜一蠛栓惹接头 2 一弓l 出电缆1 3 一变形敏撼元件； 4 _ 密封壳体；5 万向惶接件；卜柱销连接头 图1 4 4 差阻式位移计 在被测位移量的作用下，差阻式变形敏感元件的两组电阻钢丝产生差动变 化，即引起电阻比变化。位移量s 和电阻比变化量z 具有下列线性关系： 丛= s 一& = 厂( z l z 0 ) = 厂z ( 1 4 3 ) 在上式中： f 仪器最小读数( 1 1 1 】州( o 0 1 哟) ； o l ：位移值( m m ) ； o o ：初始位移值( n 吼) ； 厶l ：电阻比； 厶o ：初始电阻比。 只要测定了电阻比就可以根据式( 1 4 3 ) 计算出位移。差阻式位移计的测 温原理同1 4 1 节中介绍的测温原理完全相同，这里不在重复。 差阻式位移计的测量模型和差阻式锚杆应力计的测量模型完全相同。差阻 式位移计也有z 和r 两个测量值，其中r 的含义和差阻式锚杆应力计相同，z 定义为r l r ，与差阻式锚杆应力计略有不同，由于r 1 r 也可以由r l r 2 计算出， 所以实际测量中我们还是先测量r l r 2 再计算出z 。同锚杆应力计一样，差阻式 位移计也采用5 线制接法。 差阻式位移计的温度计算公式如下： r = q ( 置一r ) ，o t 6 0 时； f = ( 羁一r ) ，一2 5 t 0 时； 在上式中： t ：测点温度( ) ； ：仪器的电阻测量值( q ) ； 8 第一章绪论 ：仪器计算冰点电阻值( q ) ，由出厂卡片给出； ：仪器零上温度系数( q ) ，由出厂卡片给出； 口z ：仪器零下温度系数( q ) ，由出厂卡片给出。 位移量计算公式如下： 三= 厂( z z o ) 在上式中： l ：位移量( 1 m ) ； f - 位移计的最小读数，由出厂卡片给出： z ：电阻比测量值； 么o ：电阻比基准值( 取埋设时电阻比测量值) 。 1 4 3 电阻温度计 电阻温度计( 佚名，1 9 9 9 ) 用于长期监测混凝土坝或其它建筑物内测点的温 度，也可用于水温、气温测量，测值准确、性能稳定。电阻温度计只有电阻 一个测量值。 电阻温度计的等效测量模型如图1 4 5 所示。与差阻式锚杆应力计类似，电 阻温度计采用了4 线制，比普通的传感器多了两条线，原理和差阻式锚杆应力 计相同，这里不再重复。 卫 。i r | j r 。善 【12 | c 4 图1 4 5 电阻温度计等效测量模型 温度计的计算公式如下： ，= 口( r r ) 在上式中： t ：测点温度( ) ； 玛：仪器的电阻测量值( q ) ； r ：仪器计算冰点电阻值( q ) ； 口：电阻温度系数( q ) 。 以上三种都是固定恒流源并运用高输入阻抗运放进行测量。 9 第一章绪论 ：仪器计算冰点电阻值( q ) ，由出厂卡片给出； ：仪器零上温度系数( q ) ，由出厂卡片给出； 口z ：仪器零下温度系数( q ) ，由出厂卡片给出。 位移量计算公式如下： 三= 厂( z z o ) 在上式中： l ：位移量( 1 m ) ； f - 位移计的最小读数，由出厂卡片给出： z ：电阻比测量值； 么o ：电阻比基准值( 取埋设时电阻比测量值) 。 1 4 3 电阻温度计 电阻温度计( 佚名，1 9 9 9 ) 用于长期监测混凝土坝或其它建筑物内测点的温 度，也可用于水温、气温测量，测值准确、性能稳定。电阻温度计只有电阻 一个测量值。 电阻温度计的等效测量模型如图1 4 5 所示。与差阻式锚杆应力计类似，电 阻温度计采用了4 线制，比普通的传感器多了两条线，原理和差阻式锚杆应力 计相同，这里不再重复。 卫 。i r | j r 。善 【12 | c 4 图1 4 5 电阻温度计等效测量模型 温度计的计算公式如下： ，= 口( r r ) 在上式中： t ：测点温度( ) ； 玛：仪器的电阻测量值( q ) ； r ：仪器计算冰点电阻值( q ) ； 口：电阻温度系数( q ) 。 以上三种都是固定恒流源并运用高输入阻抗运放进行测量。 9 霪产氧囊体窭蒌薹饕添臻f ：| 茎些 蓁奎鬣雾搿雾鄹韩燮雾篓丽麴；鬯嘏荔竖裂型蓁p 娌魏酚醴譬薹雾零羹；满 鋈和稻幽薹薹妻需型蠢鹱塑里掣豳霎型斟癸昊忝壁垦霾羿强糍甥冀翳塑雾。融驰 能煺鞫鹑繇舰翳辐龋曼秘瓢裂瓣星蠢数鞋； 雅趣猢鲣霎盒雾秆醪羹帮萋蓁半叁菊舞“群型委差鼻岂鋈浏澎；雾的专 业厶苋分析藩骶彭骋鸶鲤攀感尘堕璎萋删；篷下面蓁丽彬羹斟剽刿犁翱裂 匪鞘种彭绷； 翔蝰囊i 茎篓阿”勤懿鳓嚣辫蓁羹嘲薹翥霎塾帽黼隅强颧净i 塞蚕囊笼笺需琵 偿储话糯s 一苦孺滞辩篓蓄裂孽0 拦剽型磊蕊；剿鬻萃要；妻蓄霸誉磐篓萋睁斟 烈移蚕降二硼倒鞠骑例割割彬墨霹鬟器鋈釜尘羹剖醐毯婴坦。 黼煺些霪凉囊釜：磁噶鞣冀塑雾霎篓臻蠊籍翟雾霎霎零公馐萋型愿臻塑冉 舀嘭唧幽债簿陋蓁| 蓁匪羹酹萄斟樊藩薹篓雾崔薹萋些囊雕必雾薹冀霪冀冀秘； 量。蓁薹摹霪雾羹雾羹羹毳霎 鞴塞鲤攀墨誊毒薹薹至垂妻薹霎妻萋圣萋冀羹薹誉垂萋一謦霎薹善薹薹摹 差薹琴攀囊菱薰妻善垂霉薹霎薹鋈引誊霉| | | 霎萋霉爹誊羹二薹霪一萋毒萋薹馨 习薹型蓁鲤麓魈婆哆一强礓螨面薹囊；鬟塑雾卵佳壁雾降黪溢嘎邋塑； 鬈陋金牌埋墓薹哩藉熠强臻绺垡嚣曩毁翠丕谨一；粥掣竖需些蓁衍籀环 幽咝霪羹蠢墼鐾羹。鍪茎荔饕j 豢掣霪。羹霎薹冀鬟鋈；鬈攀羹爹主专姜一 童零蕉爹爹霪霎霎孽薹i 磊孽妻爹善重爹藿萋荸二鋈篓冀萋= 鋈粪囊誊零二爹霪霎 霪噩薹霪冀鋈藿。妻爹霎妻篓薹器垂耋雾翼鬻爹雾至霎萋鍪蓁。 耋善菱董善囊爹爹薹誊薹攀麓霪一羹章l i 萋蒌蒌 x 第二章总体结构与底层硬件设计 图2 2 1c 8 0 5 1 f 0 4 0 功能结构 其中，c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列m c u 内集成了完全支持c a n 2 o a 和c a n 2 o b 的 c a n 控制器，独立的消息r a m 可以处理3 2 条消息对象，每个消息对象都可 以进行发送和接收滤波，最高工作速率达到l m b p s ，能够完成c a n 总线协议 数据链路层和应用层的所有功能( 方卫华，2 0 0 5 ) ；其中c a n 总线的竞争处理、 c p u 接口、同步、数据的一贯性以及连续性保证，都是由硬件来解决，c p u 因 此得以腾出大量的精力来处理其他的用户功能。以上这些特性，使得c 8 0 5 1 f 0 4 x 成为底层测量模块微控制器的良好选择。 c 8 0 51 f 0 4 x 系列器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u ，具有6 4 个 数字i o 引脚( c 8 0 5 1 f 0 4 0 2 4 6 ) 或3 2 个数字i o 引脚( c 8 0 5 1 f 0 4 1 3 5 7 ) ， 片内集成了一个c a n 2 o b 控制器。 下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核( 可达2 5 m p s ) 控制器局域网( c a n 2 o b ) 控制器，具有3 2 个消息对象，每个消息对象有 其自己的标识 1 4 第二章总体结构与底层硬件设计 2 3 恒流源模块设计 图2 2 2 ( b ) c i p 一5 l 原理框图 对于边坡安全监测系统来说，测量精度是最重要的一个指标，恒流源的稳 定性和流过传感器的电流的大小对测量精度都有很大的影响。恒流源稳定性过 低会造成输入端电压不稳定从而影响测量精度。电流过大，由于分子的热运动， 电阻增加也会影响测量精度。以测量温度的电阻铂电阻为例，在电流为1 0 l l 认 的时候，由于分子热运动造成的温度升高为1 3 ，电流为1 i n a 的时候则只有 o 1 ，因此电流不宜过大。如果恒流源过小，则信号太小，抗干扰能力减弱。 水利系统中通常规定流过传感器的电流范围为1 m a 到5 i n a 。由于c 8 0 5 1 f 0 4 0 ( 佚名，2 0 0 4 ) 芯片并没有恒流源模块，所以我们需要另行设计一个恒流源模 块。 2 3 1 设计原理 图2 3 1 ( a ) 为一个实用的电压电流转换电路( 清华大学电子学教研组， 1 7 第二章总体结构与底层硬件设计 2 0 0 1 ) 。由于a 2 构成以u o 为输入的电压跟随器，u 0 2 = u o ；a 1 引入了负反馈， 实现以u l 和u 0 2 为输入的同相求和运算。 r 2 1 8 ( a ) ( b ) 图2 3 1 实用电压电流转换电路 根据图2 3 1 ( a ) ，有： 踟1 _ ( 1 + 等) ( 志叭志 邓+ 鲁e 志叭志协， 若尺1 = r 2 = r 3 = r 4 ，则： 踟1 = u l + u 0 输出电流为： 而：丝! 二丝：望 月or 0 上式表明输出电流i o 仅受输入电压的控制。 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第二章总体结构与底层硬件设计 利用瞬时极性法可以判断出，由电压跟随器引入的反馈为正反馈。设负载 电阻r 减小，则一方面因为电路有内阻使输出电流i o 增大；另一方面输出电压 u o 的减小使u 0 2 减小，u p l 减小，u 0 1 减小，因为从a 1 看进去的输出电阻为 零，所以u 0 1 减小必然导致i o 减小。当尺l = r 2 = r 3 = r 4 时，因r 减小引起 的i o 增大等于因正反馈作用引起的i o 的减小，i o 成为u l 的受控源，实现了电 压电流转换。 如图2 5 ( b ) 所示，盼u 1 = 0 ，断开r ，在输出端加交流电u ，由此产生。， 则电路的输出电阻为如。由于a 2 同相输入端的电流为零，所以r 0 的电流等 于，。根据式( 2 3 1 ) ，移：u 。- ，使，。：o ，所以输出电阻 ， r 。= = o o ( 2 3 3 ) 一fo 可见，当r l = 月2 = r 3 = 欠4 时，电路的输出可以看成恒流源。 2 3 2 实际恒流源电路 根据式( 2 3 1 ) 电压电流转换输出恒流源的原理，我们采用a d 6 2 0 ( 佚 名，1 9 9 9 ) 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 ( 佚名，2 0 0 5 ) 的1 2 位d a c 恒压源输出设计了一个 恒流源，恒流源设计的原理图如图2 3 2 。其中，a d 6 2 0 是a 1 1 a l o g 公司生产的一 款仪表放大器，关于它的具体情况请参考下一节。 制 图2 3 2 恒流源电路1 1 9 第二章总体结构与底层硬件设计 针对d a c 输出温度漂移过大的问题，我们采用一个稳压源芯片来代替d a c 输出。我们选择了m c l 4 0 3 ( 佚名，1 9 9 5 ) 这一款稳压源芯片，它可以把4 5 v 到4 0 v 的输入电压转换为2 5 v 的电压输出，输出电压误差在l 以内，温度 漂移系数小于1 5 p p m 。同时，稳压源芯片也可以起到原来用作反馈的运放的电 压跟随作用，所以我们去掉一个a d 6 2 0 芯片。2 5 v 电压经过精密电阻分压以 后接a d 6 2 0 的正输入端。根据运放正负输入虚地的原理我们知道r 1 0 两端的电 压就是恒压源输出电压分压以后的电压，只要m c l 4 0 3 的输出电压稳定，r l o 上流过的电流就恒定，由此就产生了新的恒流源。d 1 和d 2 是两个稳压二极管， 分别对a d 6 2 0 的输出端和反馈回路起保护作用。j l 是传感器接口，我们看到， 在新的恒流源中将传感器也接入到反馈当中，进一步的加大了反馈，这也有助 于提高恒流源的稳定性。 针对电阻受温度变化影响造成恒流源温度漂移的问题，我们将恒流源模块 原来所采用的普通电阻替换为温度漂移系数更小的高精密电阻来减小温度变化 对恒流源的影响。 a d 6 2 0 芯片造成的温度漂移很小，加大a d 6 2 0 的负反馈以后使温度漂移 进一步减小，做了以上几点改变以后的恒流源已经比较稳定，校准以后可以使 测量精度满足我们的要求。 2 4 运放和a d 转换模块设计 2 4 1 运放电路设计 由恒流源流过传感器产生的电压约1 0 0 m v ，为了提高加转换的精度我们 需要对信号进行放大。在一般信号放大的应用中通常只要通过差动放大电路即 可满足要求，然而基本差动电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益 时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的变因就更加复杂。仪表放 大电路则无上述的缺点，a d 6 2 0 就是这样一种仪表放大器( 佚名，1 9 9 9 ) 。 如图2 4 1 所示仪表放大电路由三个放大器共同组成，其中的电阻r 与r x 需在放大器的电阻适用范围内( 1 kq 到1 0 kq ) 。借由固定的电阻r ，我们可以 调节r x 来调节放大的增益，其关系式如式( 2 4 1 ) ，需要注意避免每个放大器的 饱和现象( 放大器最大输出为其工作电压v d c ) 。 ( 1 + 斧( n 叫2 ) ( 2 4 1 ) 2 1 第二章总体结构与底层硬件设计 船 。器卜 并 、 ，y ；一； ：鱼 _ ? 。影 ”i ；l 一 l b 【 d 拦 一：细 z f 举 z 吁 一 。一 。 r “h “一 可一器”r l l 一 r 翟 h 一 、t 卜 弋 爱 w * w l 矶 ，r ， r 图2 4 1 仪表放大电路示意图 一般而言，上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到，我们只需要外接 一个电阻( 即式2 4 1 中的r x ) ，依其特有的关系式去调节至所需的放大倍数即 可。 r g l n l h 一咯 r g w l o i l t p t 盯 孵 图2 4 2a d 6 2 0 引脚示意图 如图2 4 2 ( 佚名，1 9 9 9 ) 所示为a d 6 2 0 仪表放大器的引脚示意图。其中1 、 8 两脚接一个电阻来调节放大倍数，4 、7 两脚接放大器的正负工作电压，2 、3 两脚为运放的输入端，6 脚为输出电压。5 脚是参考基准，如果接地则6 脚的输 出电压即为与地之间的相对电压。a d 6 2 0 的放大关系式如式( 2 4 2 ) 、式( 2 4 3 ) 所示。 g ：竺竿+ l ( 2 4 2 ) 如 、7 尼：竺竿 ( 2 4 3 ) 。 g 一1 、7 根据以上两式我们就可以计算出各种增益所需要的i b ，由此我们就可以方 第二章总体结构与底层硬件设计 便的调节放大倍数( g ) 了。 a d 6 2 0 具有以下特性( 佚名，1 9 9 9 ) ：较宽的供电范围( 2 3 v 到1 8 v ) ， 高精度、低漂移、低噪声、极低的输入偏置电流和低功耗( 最大1 3 n 认供电电流) ， 而且a d 6 2 0 的适用简易，所以我们选用了a d 6 2 0 作为我们的放大仪器。如图 2 4 3 所示为一个通道的输入放大电路的原理图。 如图所示，我们采用5 v 电压对a d 6 2 0 进行供电，电源电压都经过了滤 波处理。r 1 1 和r 1 2 两端接经过多路开关选通的需要放大的电压，正负输入电 压也都经过了滤波处理。r l1 、r 1 2 、c 2 0 、c 2 1 决定积分时间，开始测量时间 要在5t 的时间以后进行才能保证较小的系统误差。在1 、8 两脚之间接一个5 k 的电阻和一个短路子用于调节a d 6 2 0 的放大增益，这主要是为了根据不同的传 感器对放大增益进行调节的需要。a d 6 2 0 的输出电压将会送到d 转换模块进 行加转换。 c 1 7 口l 】f 2 4 2a d 转换模块设计 图2 4 3 放大电路原理图 经过放大后的电压将被送到加转换模块进行转换，加转换的精度将直 接影响到测量精度，我们选择了a d 7 7 1 0 作为加转换芯片。选择a d 7 7 1 0 主 要是基于它的以下特性( 佚名，1 9 9 9 ) ： 电荷平衡式模数转换器( 2 4 位无误码，o 0 0 1 5 非线性) ：双通道增益可 编程，增益从1 到1 2 8 ，差分输入；具有截止频率可编程的低通滤波器：具有 读和写标定系数功能；双向微控制器的串行接口，内部和外部基准选择；单或 第二章总体结构与底层硬件设计 图2 4 4a d 7 7 1 0 引脚示意图 2 、工作原理( 佚名，1 9 9 9 ) 朋n 1 + l 搦刖l - ， l m 2 ” 朋糙2 1 i r e fr e f a v d dd v 骥h 删p v b 啵s a g 弑dd g n dv 藤彳雩葛陡o d es d a t as c | - 托蚕蕊a o 图2 4 5a d 7 7 1 0 结构框图 s r ：n c 陡c u c l n 隧c 陇 0 u t a d 7 7 1 0 的功能结构图如图2 4 5 所示。a d 7 7 1 0 内部含有一个己- - a d c 、 一个数字滤波器、一个带s r a m 校验的微处理器、一个时钟晶振和一个双向串 行通信口。该集成电路内部集成了2 4 位数据寄存器和2 4 位控制寄存器，数据 寄存器串行读出，控制寄存器串行写入。2 4 位控制寄存器具有设置工作方式、 程控放大器增益、数据采集通道、电源工作方式、a d 转换字长、输入模拟信 号极性、滤波器参数设置等功能。其构成如下： 一丽稀蒲晰一一一柚瓣 孙a 第二章总体结构与底层硬件设计 m 【s b l s b m d 2 、m d l 、m d 0 的八种组合，可设置八种工作方式( 见表2 4 1 ) 。g 2 、 g l 、g 0 的八种组合，可分别设置程控放大器的1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 八档增益( 缺省值位1 ) 。c h 完成数据采集通道川 n 1 ( c h = o ) 、a i n 2 ( c h = 1 ) 的选择。p d 完成电源工作方式选择，p d = 0 表示正常工作，p d = 1 表示掉电。 w l 完成刖d 转换字长1 6 2 4 位的选择，w 几= o 表示选择1 6 位字长，w l = 1 表示选择2 4 位字长。i o 的o 、1 分别表示补偿电流开、关的设置。b o 的o 、1 分别表示耗尽电流开、关的设置。b 舢的0 、1 设置对应于所选择通道输入信号 的单极性、双极性。 表2 4 1 操作模式 m d 2m d l 肋o 操作模式 o00 正常操作模式。a o 为高从数据寄存器中读数，芯片 上电后的缺省值。 oo1 自校准。通过选择c h 通道触发系统自校，自校完 成后，脚】厂= l 并返回正常操作模式。 o1 0 系统校准( 第一步) 。选择c h 通道进行校零，自校 完成后，脚y = 1 并返回正常操作模式。 011 系统校准( 第二步) 。 1oo 系统补偿校准。选择c h 通道校准零偏差和满刻度 偏差，自校完成后，啪】厂= 1 并返回正常操作模式。 10l基准校准。将2 4 位字长的a d 转换速率降到1 6 ， 提供连续的参考电压自校准和零输入自校准。 11 o 读写零校正系数。 l 11 读写满刻度校正系数。 f s l l f s o ( 设置范围：1 3 h 0 7 d h ) 完成低通滤波器截止频率的设定， 1 2 位数据决定滤波器的陷波频率、一阶陷波频率的位置和数据速率。其第一极 值点截止陷波频率为f c 璐n “2 0 0 h c o d e ) ，同时确定a d 转换频率。其中f c l k i n 为晶振的工作频率，最高为1 1 0 5 9 m h z 。低通滤波器的一3 d b 的截止频率为第一 阶点截止陷波频率( a d 转换频率) 的o 2 6 2 倍。c o d e 为f s l l f s 0 的编码 数值，当c o d e 取最小值1 3 h 时，其剐d 转换频率为最高值1 2 8 k h z 。当c o d e 取最大值0 7 h 时，其a 巾转换频率为最小值9 7 6 h z 。当c o d e 为3 6 h 时，其 第二章总体结构与底层硬件设计 a 巾转换频率为2 5 h z ，内部滤波器3 d b 截止频率为6 6 5 h z 。当c o d e 取6 c h 时，其加转换频率为5 0 h z ，内部滤波器3 d b 截止频率为1 3 1 h z 。此外，内 部滤波器对输入信号a d 转换频率整倍数频率分量还有陷波作用，当a ，d 转换 频率为5 0 n h z 时，则可对5 0 h z 工频及其谐波分量有很强的抑制作用。 a d 7 7 1 0 的采样速率由f c l ki n 和增益共同决定( 如表2 4 2 所示) 。 表2 4 2 采样速率表 增益采样速率 1f c u ci n 2 5 6 ( 3 9 k h z ，当f 似i f l o 删z 时) 22 f c l xi n 2 5 6 ( 7 8 l 【h z ，当f c l kl n = 1 0 姗z 时) 4 4 f c u 【i n 2 5 6 ( 1 5 6 l 【h z ，当f c l ki n = 1 0 姗z 时) 88 f c u ( i n 2 5 6 ( 3 1 2 k h z ，当f c l ki n = 1 0 删z 时) 1 6 8 f c u 【i n 2 5 6 ( 3 1 2 k h z ，当f c “i n = 1 0 删zb 寸) 3 28 f c u ( i n 2 5 6 ( 3 1 2 k h z ，当f c l xi n _ l o 瑚z 时) 6 4 8 f c u 【i n 2 5 6 ( 3 1 2 k h z ，当f c l ki n = 1 0 姗z 时) 1 2 88 f c l ki n 2 5 6 ( 3 1 2 k h z ，当f 似l n = 1 0 删z 时) 只要我们将2 4 位控制字正确写入控制寄存器中，a d 7 7 1 0 就可以按照我们 想要的方式进行工作，我们只需要将转换结果按位读出即可。需要注意的是 a d 7 7 1 0 对于控制寄存器和数据寄存器的读写都有着严格的时序要求，想要正 确的对寄存器进行读写操作必须完全按照时序要求，不然就可能导致芯片不能 正常工作或者转换结果出错。关于对控制寄存器和数据寄存器的读写时序以及 其在c 8 0 5 1 f 0 4 0 中的实现将在下一章中进行介绍。 3 、注意事项 a d 7 7 1 0 的使用中需要注意以下几个问题( 佚名，1 9 9 9 ) ： 1 ) 工作电源问题 a d 7 7 1 0 无论是单电源状态或者是双电源状态都能正常工作。在单电源状 态下工作，要求输入的信号电压幅值在任何时候都不得比一3 0 0 m v 更负，而对于 交流信号来讲则峰值应不得比一3 0 0 m v 电压更负。这时，a g n d 、v s s 、d g n d 三者短接而且接地。r e fi n ( ) 应接信号地，m o d e 也应该接地，使它在外时钟 工作状态。 在双电源供电时，数字电源d v d d 的电压在任何时刻都不能大于模拟电 源a v d d 的电压加上0 3 v ，即d v d d a v d d + o 3 v 。为了防止由于模拟 电源出现故障而损坏a d 7 7 1 0 ，在使用中应采用如图所示的双电源供电的保护电 2 7 第二章总体结构与底层硬件设计 路。一般双电源工作时，各电源幅值分别为a v d d = l o v ，d v d d = 5 v ，v s s = 5 v ，而且必须注意加电顺序加电时，首先应接通电源a v d d 、v s s ，然后才能 接通数字电源d v d d ，相反时则要损坏器件。当采用av d d = d v d d = 5 v 、 v ss = 5 v 时，应将+ 5 v 电源分别连到a v d d 和d v d d 引脚，而且分别配置 去耦电容。值得注意的是采用双电源供电时，只要一组电源发生故障就必须同 时切断其余各组电源。 图2 4 6 单电源供电连接电路图 麓叛电漂爨搿r 黼 麓叛电漂鼢u l v 删r 乏￥拼i 图2 4 7 双电源工作时的保护电路 2 ) 系统同步问题 如果一个系统中采用多个a d 7 7 1 0 器件，则存在着一个系统同步问题。这 时应该将a d 7 7 l o 器件的管脚1 接地( a g n d ) ，使s c l k 处在低电平状态，器 件工作在外时钟状态。这时所有的a d 7 7 1 0 都共用一个时钟信号。这样，当- s 删c 输入信号下降时，就能够同步地更新它们的输入寄存器数据。系统就能同步工 作。当d v d d 数字电源电压( 输入器件管脚的电压) 低于4 0 7 5 v 时，器件内的 第二章总体结构与底层硬件设计 数字滤波器不能正常地工作，系统也不能同步地正常工作。 3 ) 偏置电压v b i a s 的选择 由于a d 7 7 1 0 可以用单电源工作，也可以用双电源工作，而且双电源工作 时又是非对称的正、负电源。为了允许输入双极性的电压信号，设计器件时， 留出偏置电压的输入端，以适应不同使用者的要求。在应用中，a d 7 7 1 0 的偏 置电压设置在a 、，d d 和v s s 之间。选择v b i a s 电压时，必须保证不超过a v d d 或v s s 。例如对于单5 v 供电状态，v b i a s 必须保证v b i a s 一0 8 5 v r e f 的差值 不小于o ( v s s = o v ) 。或者说v b i a s 的值也可以表示为v s s + 2 1 v v b i a s a v d d 2 1 v 。当采用a v d d = 1 0 v ，v s s o v 的单电源供电，或 者a v d d = 5 v ，v s s = 5 v 时，则必须确保v b i a s + o 8 5 v r e f v s s 。 4 ) 死锁问题 a d 7 7 1 0 在应用中，必须注意供电电源与各种输入信号电压输入到器件上 的时间顺序。工作时，必须先加上电源电压，然后才能在r e fi n 端加参考电 压v i 迮f 。在a i n 端加模拟信号电压。如果a d 7 7 1 0 与数字系统分别供电，必 须首先使a d 7 7 1 0 加上电源，然后才能使数字系统加电。如果一个系统中， a d 7 7 1 0 与数字系统必须同时加电时，只要在逻辑输入中串入限流电阻就能有 效地防止死锁。 4 、加转换模块 图2 4 8a d 转换模块电路原理图 2 9 第二章总体结构与底层硬件设计 如图2 4 8 所示为我们采用a d 7 7 1 0 设计的a d 转换模块的电路原理图。 我们通过m a x 3 5 8 对8 通道输入电压进行选通。p 7 0 通过一个非门，p 7 1 到 p 7 5 通过一个排阻接到a d 7 7 1 0 的引脚上，这是由于a d 7 7 1 0 的电源电压和我 们所采用的m c u 电压不一致，为了增加驱动能力设计的。图中的插槽主要是 为了调试的时候测试方便而设计。需要注意的一个问题是，在实际使用过程中 我们发现第5 腿s 删c 必须接电源电压才能保证芯片一直正常工作，如果将其 悬空的话会导致芯片有时候突然停止工作这一现象。 2 5 安全性方面的设计 除了精度方面的考虑以外，由于边坡安全监测的环境的恶劣性，我们设计 的模块还必须要考虑安全性方面的问题，主要包括：防雷击和防潮方面的设计 以及模块必须要在整个工业温度范围内正常工作的问题。 防雷击方面，我们通过在信号接入点布设瞬态二极管的方式来达到防雷击 的目的。 防潮方面，我们是通过在调试好的电路板表面喷一层绝缘清漆来达到防潮 的目的。另外，我们所有的模块最后都将安装在一个大的接线箱里面，接线箱 的进线口采用绝缘橡胶进行了处理。 关于模块要能在整个工业温度范围内正常工作的问题，包括我们前面提到 的各个模块在内的所有芯片在芯片选型的时候都特别注意了所选择芯片要能在 整个工业温度范围内正常工作。 由于我们目前的工作重心主要在解决测量精度和速度上面，而且在实验室 也没有检验安全性的具体条件，所以目前并没有对安全性进行试验。关于安全 性方