（测试计量技术及仪器专业论文）无线数据采集.pdf

摘要 摘要 目前我国的桥梁建设技术已达到世界领先水平，随着大型桥梁的不 断建成，如何做好桥梁的运营、养护，随时了解桥梁结构的健康情况， 及时对桥梁的安全进行评价已成为管理者日益需要和迫切希望解决的课 题，与之相呼应的是结构健康检测成为新兴的研究方向。 健康监测系统主要由四部分组成，包括传感系统，数据采集系统。 通讯系统和监控系统。目前，多数数据采集系统都是采用有线采集方式， 给数据采集，特别是长大桥梁的健康检测带来极大的不方便，而且成本 相对较高，在某种程度上有线的数据采集限制了健康监测系统的快速发 展。 为了改进数据采集系统受有线传输的限制，本文提出并丌发了一套 无线数据采集方式，主要内容如下：首先介绍了健康检测的重要性、构 成以及发展趋势，介绍了数据采集方式的现状以及面临的问题，提出构 建无线数据采集系统的思路；其次，参考国际最新的思想，建立自己设 计的实现无线数据采集功能的硬件系统，包括数据采集系统和数据传输 系统；两个系统都包含微型控制系统和一组具有独立功能但需要微型控 制系统控制的硬件：再次，利用微型控制系统自带的集成开发环境分别 对这两个硬件系统进行调试，并编写使硬件系统完成预定功能的软件， 从而达到使硬件系统能正常运行的目标；第四，利用v b 丌发方便用户 使用的界面，包括主界面和子窗口，从而使系统可以为大多数非专业人 士方便的控制；最后，展望无线数据采集系统的发展方向。 关键词：健康检测传感系统无线数据采集 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea d v a n c e m e n ti nb o t ht e c h n o l o g ya n de c o n o m yh a sh e l p e dt h e e m e r g e n c eo fm a n yl a r g eb r i d g e sa r o u n dt h ew o r l d t h e r e f o r e ，h e a l t h m o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c eo ft h e s el a r g eb r i d g e sh a v eb e c o m eab r i d g e e n g i n e e r i n gn e c e s s i t y a sw e l la sa na c t i v ef i e l df o rr e c e n tr e s e a r c h a c t i v i t i e s a t y p i c a ls t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m ) s y s t e mi sc o m p o s e do f f o u rp a r t s ，i n c l u d i n gs e n s o r ，d a t aa c q m s l t l o ns y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n dm o n i t o r i n gs y s t e m t h ec h a l l e n g ef o rm o s ts h ms y s t e mi s w i r e d s y s t e m f o rd a t a a c q u is i t i o n ，w h i c h i si n c o n v e n i e n tf o rd a t a c o l l e c t i o nf o rl a r g e - s p a nb r i d g e sa n dm o r ee x p e n s i v e i no r d e rt oi m p r o v ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb yr e m o v i n gt h en e e do f w i r i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n dd e v e l o p sa w i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sa r r a n g e da sf o l l o w s f i r s t l y ，t h e i m p o r t a n c eo fs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gi se m p h a s i z e db yr e v ie w i n g p a p e r sa n dd o c u m e n t sp u b l i s h e db yo t h e rr e s e a r c h e r s t h ec h a l l e n g e so f c u r r e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m sa r es u m m a r i z e d s e c o n d l y ，ah a r d w a r e s y s t e mw i t hw i r e l e s s d a t ac o l l e c t i o ni sp r o p o s e dw i t ht h e r e f e r e n c eo f r e s e a r c hr e s u l t sf r o ms t a n f o r du n i v e r s i t y t h i r d l y ，t h eh a r d w a r es y s t e mi s d e v e l o p e df o rb o t ht h es e n s o rs i d ea n dt h ec o l l e c t i o ns i d e f o u r t h l y 。au s e r i n t e r f a c ei sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i ci nt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m f o rt h ec o n v e n i e n c eo fu s i n gt h ep r o p o s e dh a r d w a r es y s t e m l a s t l y ，t h e p r o b l e m s a n df u t u r e d e v e l o p m e n tn e e d s o ft h ep r o p o s e d s y s t e mi s s u m m a r i z e df o rb e t t e ri m p r o v e m e n to fw i r e l e s sd a t ac o l l e c t i o n k e yw o r d s ：h e a l t hm o n i t o r i n g ，w i r e l e s s ，d a t aa c q u i s i t i o n l i - 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主垦丝震旦王猩 力学研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：望l 垃签字同期： ! 游丝乃哆 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局工程力学研究所有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或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；本人授权中国地震局工程力学盟宣逝可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 沦文作者签名： 签字同期： 翩姥逊骘 导师签名：堕：丝! 天 签字日期： 第一章绪 论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 健康监测1 1 的意义 具有悠久造桥历史的我国，在现代桥梁建设技术方面，已跻身世界先 进行列。目f j ，在长大跨径、深水基础桥梁建设技术等现代造桥技术方面， 我国现在已跻身世界前列。据交通部部长黄镇东介绍，像预应力混凝土梁 桥、各式拱桥、斜拉桥和悬索桥建设，我国都实现了技术上的突破和发展。 我国先后建成了江阴长江大桥、虎门大桥、万县长江大桥、南京长江二桥 等一批技术含量高、在世界上有影响的重大工程项目。江阴长江大桥主跨 跨径1 3 8 5 米，是2 0 世纪我国修建的跨度最大的桥梁，居世界同类斜拉悬 索桥第四位。万县长江大桥特大跨钢筋混凝土拱桥设计和施工，是一项国 际创新的技术，获2 0 0 0 年国家科技进步一等奖。虎门大桥建设成套技术 获2 0 0 0 年国家科技进步二等奖。新技术、新工艺、新设备的采用保障了 我国桥梁建设事业的快速发展。截止到去年底，全国共有各类公路桥梁 2 4 力座，共计8 6 5 万千米，其中特大桥1 13 9 座，大桥l2 7 4 l 座。这些桥 梁造型优美，美观实用，成为当地的一道风景。随着许多大跨度桥梁的建 成，一些科学难题也相继出现，例如随着跨度的增大，加筋梁的高跨比越 来越小，安全系数也随之下降。由于缺乏必要的监测和相应的养护，世界 各地出现了不少桥梁损坏事故，给国民经济和人民的生命财产造成了巨大 损失。1 9 9 4 年1 0 月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断场5 0 m ， 其中l5 m 掉入江中，造成死亡3 2 人、重伤17 人的重大事故。美国密西 西比州明尼阿婆利斯东北部一座横跨密西西比河的桥梁，于今年8 月l 同 傍晚交通繁忙时间突然坍塌，造成至少9 人丧生，逾6 0 人受伤和2 0 人失 踪，约有5 0 辆车和数吨的混凝土和钢筋掉进河。今年12 月2 5r ，尼泊 尔西部的一座桥梁突然坍塌，造成至少5 人死亡，多人失踪，坠河人数达 3 0 0 多人。造成桥梁在行车高峰期突然断裂的原因是长期超负荷运营，钢 梁螺栓及杆件疲劳破坏所致。我国早期建造的斜拉桥，由于拉索的防护不 合理而引起的斜拉索的严重锈蚀，如济南黄河桥、广州海印桥的斜拉索在 远未达到他们的设计寿命下，被迫全部更换，造成很大的经济损失和不良 的社会影响。近年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程 度上是由于构件疲劳加之监测养护措施跟不上，从而严重影响构件的承重 能力和结构的使用。为了确保这些耗资巨大，与国计民生密切相关的大桥 的安全耐久，必须对这些大桥进行连续的、实时的安全监测。 目前在建的润扬大桥【2 1 、南京三桥、苏通大桥【3 j 等特大桥建设方在建 设过程中就开始了结构健康安全监测的研究，通过方案征集、集思广益， 充分采纳了当前国内研究力量和国、内外最先进的技术、设备，建立了各 中囝地震局t 程力学研究所顾 ：学位论文 自的健康监测系统。目前，我国的工程技术人员也给予了高度重视，各大 高校、科研院所纷纷开始着手结构健康监测方面的研究。 1 1 2 健康检测系统结构1 4 j1 5j1 6 1 1 健康监测系统组织结构图。如图1 所示 2 。健康监测系统组成部分 1 ) 传感系统：把关心的物理量转换成电信号，包括位移传感器，速 度传感器，加速度传感器等等。 2 ) 数据采集系统：采集来自传感器的连续信号，并将其转换成计算 机可以识别的数字信号。 3 ) 通讯系统：实现数据采集系统与计算机的通讯。 4 ) 监控中心：利用具有诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断， 判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况进行评估。如发 现异常状况，发出报警信息。 其中( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 是本论文讨论和研究的重点。 图1 健康检测系统组织结构图 1 1 3 健康检测系统的发展趋势1 7 l 1 由单一的、有限范围的主体结构监测向全桥全面、系统的监测发展， 最终形成统一的综合管理系统。由于桥梁结构体积较大，很难对桥梁 第一章绪论 各个部位进行全面的实时监测l 引【训，受投资、技术条件等限制，目前 国内大多针对主体工程通过力学分析，就关键部位进行监测。随着经 济的发展，人们将更希望和有能力对桥梁有一个全面详细的了解，以 便更好的为人们服务。 2 由单一的数据采集、保存转向数据后期处理与分析。健康评估系统日 趋完善，评估成果可以成为运营管理者的决策依据。随着现代分析手 段发展和理论的成熟，桥梁健康监测系统将不仅仅限于目前的数据采 集，而是通过数据处理和健康评估系统，提供一个可靠的评估结果， 做为管理者决策的依据。 3 系统技术上将更加先进、可靠1 4 引。各种设备的性能参数将进一步提高， 数据采集的传感器、数据传输设备、处理设备及综合分析设备的精度、 使用寿命和稳定性将大大提高，数据容量和处理能力也将大大增加。 4 系统将具有更好的开放性，可以进行多形式的国际1 8 j 的合作。科技 的进步要求综合管理系统具备较好的开放性i l0 1 ，随着管理者需要可以 进行数据更新、调整及功能调整，联网或集成等系统升级或扩充。同 时，国际间的合作将更加普遍，不同国家的技术人员将通过网络数据 共享实现专家会诊或进行多种形式的学术交流活动，实现高度共享的 数字化桥梁。 5 具备更好的操作界面和实用性】，更能适合我国国情和具体养护技术 人员的实际操作。虽然目前我国很多大型桥梁均建立了一定规模的结 构健康监测系统，甚至投资巨大，但实际上大多数仍处于研究阶段， 基本以数据采集为主，目前的系统维护大多依靠开发的专业人员维 护，一般技术人员尚无法掌握和正常使用，随着各种软硬件的丌发， 用户界面将更加简单易用，可以被一般技术人员广泛采用，真正具备 其实用价值。 1 2 本文的目的和意义 目前健康监测系统的数据采集多数采用有线方式，给数据采集工作带 来极大的不方便，并且成本相对较高，所以无线数据采集将逐渐成为健康 监测领域的主要的数据采集方式。现在把有线数据采集和无线数据采集两 种方式做简单的比较如下。 从对比中我们可以发现，虽然无线数据采集稳定性不如有线数据采 集，抗干扰能力也相对较差，但是凭借其使用比较方便，成本相对较低的 突出优点，渐渐在健康监测系统中占据了重要地位，并且发展非常快，各 个学科的人才利用自己的学科优势，开始这方面的研究工作，并取得了一 些成就，但是总体来说，还是处于初始阶段，许多问题和困难有待解决， 但是随着各种技术的综合应用，无线数据采集必将有更大的发展空间。 中同地震局t 程力学研究所硕 ：学位论文 1 不方便。大约7 5 的时间都耗1 比较方便。只要把负责数据采 费在安装和布线上。集的部分和传感系统相连，通 e g ，s t r a s e r ，a n d讯部分依靠无线实现。 a s k i r e m i d j i a n f 19 9 8 ) ：i n s t a l l a t i o no fw i r e ds y s t e mc a nt a k e a b o u t7 5 o ft e s t i n gt i m e 4 5 1 1 4 6 1 2 成本高。包括传感器通道和劳 2 成本相对较低。省却了有线部 动力费用，造价相当高。 分必需的传输数据用的光缆， m c e l e b i ( 2 0 0 2 ) ：e a c hs e n s o r 而且由于佰线简单很多，所以 c h a n n e la n dd a t a r e c o r d i n g 可以节省劳动力费用。 s y s t e m ：$ 2 0 0 0 ；i n s t a l l a t i o n ( c a b l i n g ，l a b o u r ，e t c ) p e r w i r e d c h a n n e l ：$ 2 0 0 0 4 5 1 4 6 1 3 稳定性不如有线系统。 3 稳定性较好。 4 抗干扰能力不如有线系统。 4 抗干扰能力较强。 1 3 本课题的研究思路和主要内容 1 3 1 本课题的研究思路 总结健康监测的意义及发展方向_ 靛出健康监测有线数据采 集的缺一提出无线数据采集的思路设计无线数据采集系统 的硬件部分叶设计使硬件正常运行的软件系统_ 设计让用户方 便使用的界面_ 给出系统应用的实例并展望系统的前景。 1 3 2 本课题主要的研究内容 根据上面的研究思路，本课题的研究内容安排如下： 第l 章绪论，主要总结了本课题的研究背景，给出研究思路和内容 安排。 第 第 第 第 章硬件系统的设计。 章软件系统的设计。 章用户界面的设计。 章系统应用与前景展望。 第二章硬件系统的设计 2 1 整体组织结构图与总体思路 2 1 1 整体组织结构图 2 1 2 硬件系统设计总体思路 本硬件系统共分为两个大的芯片，一个是数据采集系统，一个是数据 传输系统，两片芯片相互联系，构成完整的无线数据采集系统。 1 数据采集系统：与传感器【1 2 】【1 3 1 相连，主要负责采集传感器【1 4 】【1 5 】给出 的模拟信号，并将其转化成数字信号，然后将数孚信号给到单片机【1 印 【17 1 ，单片机【1 8 】【1 9 】【2 0 】处理完信号后将其存储n 多 i - 部静态存储器中，当 中国地震局工程力学研究所碗十学位论文 的模拟信号，并将其转化成数字信号，然后将数字信号给到单片机【l 6 i 1 17 ，单片机l ”】 1 9 11 2 0 处理完信号后将其存储到外部静态存储器中，当 用户需要的时候，利用无线传输把数据传输到另外的一块片子，即数 据传输系统。 2数据传输系统：与计算机相连，主要负责无线连通数据采集系统和计 算机。它接收来自计算机的控制命令，并将其以控制字节的形式传输 给数据采集系统；当数据采集系统完成计算机规定的操作后，通过它 将计算机需要的数据传输给计算机。 2 2 数据采集系统的设计 2 2 1 系统结构简图0 2 1 i 1 2 2 1 旦i j 县膏蕾、。j _ _ r 如上图所示，传感器通过普通的接口，例如凤凰插头实现和a d 7 7 3 1 的有线连接：模数转换芯片a d 7 7 3 l 在数据采集系统里通过串行外设接口 s p i 和微控制系统，即单片机c 8 0 5 l f 0 2 0 通信；数据采集系统从传感器采 集到有用的信号之后，需要做存储，所阻我们设置了一个容量为3 2 k 的 静态存储器6 2 2 5 6 ，而且由于要用到数据总线和地址总线复用，所以我们 在单片机和静态存储器之间加了地址锁存器h c 5 7 3 ；我们要实现无线的通 信，所以在数据采集系统的末端加入了无线收发器，它是和位于数据传输 q 鞣。i 丫鬻k 第一二帝硬件系统的设计 系统内另外一个无线收发器配合使用的，它和单片机之间也是通过串行外 设接口实现通信的，由于一片单片机一般只有一组串行外设接口，所以我 们是通过分时复用的方式来同时满足无线收发器和模数转换器需要的。 2 2 2 主要元件介绍 1 模数转换器：a d 7 7 3 1 1 2 3 】1 2 4 1 1 2 5 】。由于要求精度较高，所以选择这个比 较高档的模数转换器。 1 ) 其主要特性如下： a ) 分辨率高，a d 7 7 3 1 2 6 】 2 7 】 2 8 1 采用先进的一结构。能够获得 2 4 位分辨率；输出频率为8 0 0 h z 时，仍可获得1 6 位的分辨率。 b ) 输人动态范围广，采用缓冲差分输人，具有3 个差分输人通道 或5 个单端输人通道。 c ) 采用5 v 单电源供电。 d ) 片内数字滤波器的截止频率可编程。 e ) 内置可编程增益放大器( p g a ) 。 f ) 通道顺序可工作于f a s t s t e p 模式下。 g ) 输出频率可编程，最高可达6 4 k h z 。 h ) 士0 0 0 1 5 非线性。 i ) a d 7 7 3 l 具有比传统的高分辨率模数转换器更高的抗噪声能力。 2 ) a d 7 7 3 l 引脚说明 引脚名称功能 1s c l k串行日 钟端属于施密特触发输入 2m c l ki n主时钟信号端 m c l k0 【t主日f 钟信号端 1p o l时钟极性控制端 5s 、c j 、同步输入鲻 f r e s e t 逻辑复位端 7、c空端 抟a g n d模拟电路的地参考 o a 、“模拟正电压供电端 l i la i n l模拟输入通道i l ia i n 2模拟输入通道2 1 2 i n 3 ，d i摸拟输入通i i3 或数据输出1 1 3a l “4 ) 0模拟输入通道4 或数据输出o 1 4r e f i n ( + )正参考输入端 1 5r e f i nl j负参考输入端 1 6a i n 5模拄i 输入通道5 1 7l n 6模拟输入通道6 1 8汀a n d b i 备用模式控制端 1 9c s片选控制端 2 0r d y准备端 二i ；d i ) t t串行数据输出端 1 d l n串行数据输入端 2 3d 、jh 数止电压供电端 2 4d g n d数字电路的地参考端 中困地震局t 程力学研究所硕十学位论文 a d 7 7 3 1 的各个引脚和单片机的相关引脚在我们所做的硬件系统中是 物理连接的，单片机通过控制7 7 3 1 的一些引脚状态使它完成特定的功能， 同时7 7 3 l 通过自己的某些引脚把自己的工作状态传输给单片机，单片机根 据它的状态给出控制命令。 3 ) a d 7 7 3 l 内部原理图 a v d dd v d d r e fi n l - ) r e fl n l j 弱画而疆7 曹锕昭 m c l k l n mclkout s c l k g - g m n i j o u r 2 c p u 选择新华龙系列单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 2 9 】1 30 1 。 1 ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 的主要特性如下： a ) 高速流水线型和8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核，速度可达2 5 m i p s 。 b ) 全速菲侵入式系统调试。 c ) 6 4 k 字节f l a s h 程序存储器。 d ) 4 3 5 2 ( 4 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 。 e ) 可寻址6 4 k 字节地址的外部数据存储器接口。 f ) 6 4 个i o 引脚。支持交叉开关引脚分配。 g ) 硬件实现的s p i ，s m b u s 1 2 c ，两个u a r t 。 h ) 5 个通用的16 位定时器。 i )供电电压2 7 3 6 v ，每个引脚都耐5 v 电压 j ) 1o o 脚t q f p 封装结构。 2 ) c 8 0 5 1f 0 2 0 的引脚图，如图2 所示。【3 1 】【3 2 l 3 ) c 8 0 5 l f 0 2 0 的原理图，如图3 所示。f 3 3 】1 3 4 1 3 5 1 3 无线收发器：选择n r f 9 0 5 1 3 6 j f 3 7 】f 3 8 】1 3 9 】f 40 1 。 1 ) n r f 9 0 5 的主要功能如下： a ) 低功耗s h o c k b u r s t 工作模式。 第- 二章硬件系统的设计 b ) 工作在4 3 3 m 8 6 8 m 9 15 m 的i s m 频段。 c ) 工作电压1 9 3 6 v 。 d ) 输出功率可调，最大可以达到1 0 d b 。 e ) j 下确的数据被发送或者接收，有数据准备好信号( d r ) 传输给 c p u 。 d 数据包自动重发功能，可以软件实现或者禁止。 g ) 自动产生c r c 校验码和前导码。 h ) 最大数据传输速率1 0 0 k b p s 。 i ) 两种工作模式，分别是发送模式和接收模式；两种节电模式， 分别是掉电模式和s t a n d b y 模式。 i ) 模块封装1 4 引脚双排直插。 k ) 可以编程实现控制发送和接收频率以及收发字节数目。 图2c 8 0 5 l f 0 2 0 引脚图 a 1 3 m a s p 6 5 a 1 4 m f a 6 f p 6 ，6 a 1 5 r r g a 7 p 6 7 a d 0 ，0 q ，胛0 a 0 1 ，0 1 1 p 71 a d 2 ，o z t p 72 d 3 ，d 3 p 73 a d 4 ，d 4 ，p 74 a d 5 ，d 5 ，p 75 a 0 8 ，d 8 ，p 7 8 a d 7 ，d 7 1 p 77 v o d 0 g n d p 00 p 0 1 p o 2 p 03 p o 4 a l e ，p o5 i r d ，p 06 w r p 07 a d 0 ，d 0 p 30 a d ，0 1 ，p 31 a d 2 ，d 2 p 32 0 3 ，0 3 ，p 33篡嚣篇翟蒜尝嗽黑罴嬲淼淼 ：! ：兰垒坚! 尘尘些些i ：! ： 2 ) n r f 9 0 5 的原理剀 i n3c 8 0 5 l f 0 2 0 原理幽 ：=： 一 ：燃l l i l l l 3 ) n r f 9 0 5 的引脚图 田回回回回回回回 j h ”、“ks -im 2 f 本文中采用内部潜入了n r f9 0 5 模块的p t r 8 0 0 0 模块，它将n r f 9 0 5 与其发射天线以及一些配合硬件集成在一起。构成一个有1 4 个引脚的直 插式样。其中内置通信协议和c r c 校验，只需要控制s p l 串行外设通讯 就可以控制无线数据的接收和发送。可以直接焊接在芯片上完成发射和接 收功能。并且它对电源不敏感，传输的距离更远，更佳。它的一些电气参 数如下 参数数值单位 最低工作电压 1 _ 9v 最大发射功率 1 0d b m 最大数据传输速率 1 0 0 k b p s 接收模式时工作电流 1 1m a 温度范围 1 25m a 典型灵敏度 一4 0 _ 8 5d b m p o w e r d o w n 模式时 25m a 工作电流 崮卤曰m 圜m 圈卤菌苗 中国地震局工程力学研究所碗士学位论文 2 2 3 数据采集系统的原理图 下图是在p r o t e ld x p 软件中画出的原理图，一般做出完整的硬件 系统要包括以下几个必要的步骤，首先要设计出大体的思路，选择可以完 成自己既定功能的硬件；然后用画图软件设计原理图，原理图部分不能体 现硬件的真正连接，只是体现一种设计的思路：然后是设计p c b 图，p c b 图反应各个元件之间的真正物理连接，是做电路板的依据：然后是根据电 路板将元件进行焊接：最后是调试硬件系统。下图是数据采集系统的原理 图，它只是反应各个硬件之可的引脚连接关系，不能反应硬件系统的布局 和真实连接情况。 蚤自剧捌 笫一币螋件系统的鞋计 2 24 数据采集系统的p c b 图1 4 i 下图是在p r o t e l d x p 下画出的数掘采集系统的p c b 图，它反应了 数据采集系统的各个硬件的真正的布局和物理连接。最终设计投入使用的 数据采集的硬件系统就是根据本图设计电路，安排硬件的位置和相互连接 的。 ：里尘量丝三堡垒茎：! 圣竺些圭茎些兰耋 2 3 数据传输系统的设计 2 3 1 结构框图 ? 。_ 翼骥 如本图所示，上面介绍的数据采集系统通过无线收发器和本系统实现 无线通讯；本系统内的无线收发器n r f 9 0 5 通过串行外设接口s p i 和本系 统的微控制系统，即单片机c 8 0 5 1 f 3 1 0 通讯；单片机和计算机之间通讯 是通过串口u a r t 实现的，由于单片机和计算机的电平不同，所以我们通 过电平转换芯片m a x 3 2 3 2 来实现电平转换。 2 3 2 主要元件介绍 i 无线收发装置，采用和数据采集系统相同的无线收发装置n r f 9 0 5 。 一般情况下，n r f 9 0 5 都至少两个配合使用，共同实现一对一，或者多 对一的模式。 2c p u ：新华龙系列c 8 0 5 1 f 3 1 0 1 札i 。 1 ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 的功能特性： a ) 高速流水线型和8 0 5 1 兼容的c i p 5 1 内核，速度可 b ) 全速非侵入式系统调试。 c ) 1 6 k 字节f l a s h 程序存储器。 d ) 1 2 8 0 ( 1 k + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 。 e ) 硬件实现的s m b u s 1 2 c ，增强型u a r t ，增强型 f ) 4 个通用的1 6 位定时器。 g ) 供电电压2 7 - 3 6 v ，每个引脚都耐5 v 电压。 达2 5 m i p s 。 s p i 。 第二章硬件系统的设计 h ) 3 2 脚l q f p 封装结构。 i ) 2 9 个i o 引脚，支持交叉开关引脚分配 2 ) c 8 0 5 1 f 3 1 0 的原理图 3 ) c 8 0 5 1 f 0 2 0 的引脚图 f 味删1 日： p o 踟 l 1 p 0 ，y n 啦 户n 4 t x m m ￥ p o b y c n w j t 户n 7 3 电平装换装置：m a x 3 2 3 2 。由于要实现r s 2 3 2 接口和t t l c m o s 电 平之间的装换，所以要有电平装换装置。选用m a x 3 2 3 2 是因为其转 - 1 5 哪 啪 一 眦 啊 黠 中田地震局工程力学目f 究所碗| 学位论史 换速率高，而且功耗较小，并且是33 v 单电源供电，可以直接利用数 据传输系统板子上的33 v 电压供电。 2 3 3 数据传输系统的p c b 图【4 1 】1 2 1 】1 2 2 】 本图是在p r o t e ld x p 软件中设计的数据传输系统的p c 8 图，它能 反应各个硬件之间的真正连接和硬件系统的真正布局，可以| 兑是真f 硬件 系统的俯视图。 第二帝石殳件系统的设计 2 3 4 数据传输系统的原理图1 4 1 1 1 2 1 i1 2 2 1 卜= ； ；一f 量。 喜 圈心 i i 。兰亳 ；j i j l l =矿。飘习cdi d o d 。_ z z d - t 一l c z d - tl 、i 三蔓强弓amd哮一q 【坩 t - - | t 口、昼r 一0 d 9 z d 一= 三量 豇u 血 i 一坩ii - 一亡n l 一一u 一一亡 主e 羞 l 磊 | ； ! 寺 z i ；l 。；乏llg 。牙m 可兀 矗 上图是在p r o t e ld x p 中设计的数据传输系统的原理图，它本身不 能反应硬件的真正连接，但是它是做p c b 图的基础，而且由于它简单明 了，所以是实现电路检查的最好方式。 r l 簇。 h一一一院91丰 一“k ri(i享 o。il2： ! o 鼻 i上三r上主o ，j t i hi川ee 三mm；。 艺： 一耸 写s 中围地震局工程力学研究所硕十学位论文 第三章软件系统的设计 3 1 硬件集成开发环境 本文所有硬件的开发都基于新华龙系列专用的硬件集成开发环境。 c y g n a l 集成开发环境可以用于新华龙系列所有单片机的软件编程、开发与 测试。 3 1 1i d e 的主要特点 1 功能强大的项目界面。 2 全功能、窗口字体可配置的编辑器。 3 调试器具有设置断点、观察点，单步、多步等功能。工具链接集成支 持汇编器、编译器和链接器。 4 可定制的工具菜单用于集成其他编译器或者开发工具。 5 c y g n a l 配置向导可以为指定的目标环境产生配置代码。 3 1 2i d e 的界面构成 c y g n a l 的集成开发环境主要由以下几个界面构成：项目窗口、输 出窗口、编辑窗口、调试窗口等等。下面对这几个在软件编程和硬件调试 过程中很重要的几个界面做简单的介绍。 1 主界面窗口：负责控制各个界面的功能。其外观图如图4 所示。 2 项目窗口：负责文件的管理，包括文件的创建、打开、保存等等。 3 输出窗口：显示编写的软件在语法和编译过程中是否正常，出现的错 误以及错误出现的位置等等，为软件的调试提供极大的方便。 4 编辑窗口：书写程序的区域，可以在本区域进行c 语言或者汇编语言 的编写。 5 调试窗口：调试期间用于修改和查看存储器和寄存器的值。其外观如 图5 所示。 3 1 3i d e 的使用方法 1 准备工作。 1 ) 串行电缆连接p c 机和e c 2 。 2 ) j t a g 扁平电缆连接e c 2 和目标硬件。 3 ) 为i d e 选项菜单的串行口选择子菜单中为i d e 选择合适的串口连 接。 4 ) 从i d e 选项菜单中选择适当的目标连接。如果是c 8 0 51 f 3 x x ，则 选择c y a n a l2 w i r e ；! 女1 果是其他型号则选择j t a g 。 2 i d e 与硬件连接。 3 下载程序到硬件。 4调试和运行程序。 盆墨口匪= 圈徽，。 一一l r l k - 眦一h 嵋t “4 j ，】“ c 1 ，日溉p 毒互4 j 矗诤t i 毒栽! ： ： j ，_ 、 一： ， 一 一 。卜： ： t ij ! ， _ 陡：。 l 三。 三 誓r 。：嬲 ： | 1 。f ：j - k i 州 r jt i 岬l “* 蛐h ：睥岬“n 椰 图4 主界面窗口 墨口墨匠墨皿啊睁t 猫基 。1 i - ”一州_ 竹吣 = t 一- h ，一一一一f ，- _ 墨_ 一 呲二 ! ：口亟日一 图5 调试窗口 盖队 靠e朴 一 二 ：， 二一 一 一 中罔地震局t 程力学研究所硕i j 学位论文 - 、- , w m l i m 3 2 软件的编写 3 2 1 软件设计思路 1 位于数据传输系统的单片机c 8 0 5lf 310 和计算机通过u a r t 口进行通 讯，开始的时候3 1 0 被软件设定为等待计算机命令字节的状态，它时 刻检测来自计算机的命令字节，如果一直收不到命令字节则3l0 就一 直等待，直到收到以后3l0 进入下一个环节。3 10 收到命令字节之后 并不马上执行操作，而是先对命令字节进行判断：如果命令字节为 0 x f f ，则说明系统要执行数据传输操作，接下来3 1 0 进入等待接收来 自数据传输系统的数据的状态；如果命令字节不是0 x f f 则说明系统 要进行数据采集操作，接下来31 0 进入等待接收数据采集结束标识的 状态。本环节的关键是看计算机发送什么样的指令字节给单片机。 2 3 1 0 将收到的命令字节赋给标志字节f l a g ，并将它通过串行外设接 口s p i 传输给位于数据传输系统的无线收发模块t n r f 9 0 5 。t n r f 9 0 5 收到字节之后并不做判断，它只是中转命令字节，实际上3 1 0 通过它 将数据出有线的传输转换为无线的传输。 3 t n r f 9 0 5 将指令字节无线传输给给位于数据采集系统的无线收发模 块c n r f 9 0 5 。这一对无线收发模块是通过一定的无线传输协议联系在 一起的，用户只要通过s p i 口，将数据分别送到它们的发射缓存中， 然后将它们设置成发射模式，则它们就能以一定的载波频率将数据传 输出去；同样的，当用户通过判断知道它们收到数据之后，把它们设 置成接收模式，则可以到它们的接收缓存中读取数据，这个时候还是 通过s p i 口进行读取的。但是要注意的是一定要把时序设置好，否则 可能一个已经发射数据，另外一个还没有准备好，造成数据的丢失或 者产生数据的错误接收。 4 c n r f 9 0 5 将指令字节通过s p i 口传输给c 8 0 5 l f 0 2 0 ，0 2 0 首先判断命 令字节。若为0 x f f 则说明进行数据传输，0 2 0 将位于片外静态存储 器罩面的采集数据通过s p i 口传输给c n r f 9 0 5 ：否r ) 1 j j0 2 0 开始根据命 令字节罩包含的采样点数进行数据采集，( 转换频率已经提自订编程确 定) ，采集结束后0 2 0 将结束标识给c n r f 9 0 5 。由于无线收发模块最 多一次只能收发3 2 个字节，所以当是数据传输的时候，我们每次向 9 0 5 发送3 2 字节：当是数据采集结束的时候，我们发送3 2 字节的“0 ” 值给9 0 5 。 5 c n r f 9 0 5 将采集数据或者采集结束标识无线传输给t n r f 9 0 5 。在这 旱，c n r f 9 0 5 起到的作用和t n r f 9 0 5 相似，它不做判断，只是负责 数据的中转，将有线转换为无线。 6 t n r f 9 0 5 将采集到的数据或者采集结束标识通过s p i 口传输给31 0 。 7 3 1 0 通过u a r t 将采集数据或者采集结束标识传输给计算机。因为计 第三章软件系统的设计 算机是所有系统的控制员，所以我们它在发送命令字节的时候已经知 道我们采取的是数据采集还是数据传输操作，所以它在收到来自3 l o 通过串口传输给的数据的时候很容易做出反应：如果是数据传输，则 计算机通过v b 控制界面将数据存储到一个已经提前命名的文本文件 中，以供接下来其他的v b 程序使用，我们可以通过在接下来的一章 中介绍的用户界面可以方便的对采集的数据进行处理，比如将它们录 入数据库，或者画出清楚明了的图：如果是数据采集，则计算机丢弃 收到的采集技术标识字节，也就是一组0 值。 8 通过以上的步骤，我们算是完成了一次完整的数据采集过程，或者一 次数据传输的过程。 9 补充说明：我们上面的编程步骤将在下面给出的流程图中有简单的介 绍。总体来说，我们是从计算机发送命令开始，到计算机接收字节结 束，完成了一个计算机通过用户界面控制硬件操作的过程。至于用户 界面的使用，我们在下一章将有详细的介绍。在这里，我们只是详细 地介绍了一下写入单片机旱的程序的编写思路。单片机里的程序其实 是一个个的功能块，只要我们将事先调试好的程序烧入到它的程序存 储器里，然后系统一上电它就可以从第一条指令自动运行到最后一条 指令，而且这个时候外部的指令对它们就不起任何作用了，所以我们 为了控制它们的程序执行，必须将单片机的程序内部设置几个等待的 状态，而我们只要通过计算机给它们发送结束等待需要的数据就可以 达到控制它们程序运行的目的，等待状态还有一个作用就是防止程序 的跑飞。另外由于系统一上电，单片机罩面的程序就从开始运行到最 后，而我们是一个不断采集或者传输的过程，所以我们在单片机程序 内部设置了几个循环，以达到不断完成重复操作的目标。关于单片机 内部程序的详细的源代码我把它放在了附录里面，大家有兴趣的可以 参考。 中围地震局t 程力学研究所硕1 ：学位论文 3 2 2 软件编写流程图 31 0 等待 卜一 结束标识 z o 31 0 等待数 据传输 裂一 2 2 第叫章用户界面的设计 第四章用户界面的设计 4 1v b 开发环境的特点1 4 3 i 本用户界面由v b 开发，v b 开发环境作为可视化编程的先驱，具有 强大的功能，其主要特点如下： 1 面向对象：v b 采用了面向对象的程序设计思想。它的基本思路是把 复杂的程序设计问题分解为一个个能够完成独立功能的相对简单的 对象集合，所谓“对象”就是一个可操作的实体，如窗体、窗体中的 命令按钮、标签、文本框等。面向对象的编程就好像搭积木一样，程 序员可根据程序和界面设计要求，直接在屏幕上“画”出窗口、菜单、 按钮等不同类型的对象，并为每个对象设置属性。 2 事件驱动在w i n d o w s 环境下，程序是以事件驱动方式运行的，每个对 象都能响应多个不同的事件，每个事件都能驱动一段代码一一事件过 程，该代码决定了对象的功能。通常称这种机制为事件驱动。事件可 由用户的操作触发，也可以由系统或应用程序触发。例如，单击一个 命令按钮，就触发了按钮的c l i c k ( 单击) 事件，该事件中的代码就会被 执行。若用户未进行任何操作( 未触发事件) ，则程序就处于等待状态。 整个应用程序就是由彼此独立的事件过程构成。 3 软件的集成式开发：v b 为编程提供了一个集成开发环境。在这个环 境中，编程者可设计界面、编写代码、调试程序，直至把应用程序编 译成可在w i n d o w s 中运行的可执行文件，并为它生成安装程序。v b 的集成开发环境为编程者提供了很大的方便。 4 结构化的程序设计语言：v b 具有丰富的数据类型，是一种符合结构 化程序设计思想的语言，而且简单易学。此外作为一种程序设计语言， v b 还有许多独到之处。 5 强大的数据库访问功能：v b 利用数据控件可以访问多种数据库，v b 6 o 提供的a d o 控件，不但可以用最少的代码实现数据库操作和控 制，也可以取代d a t a 控件和r d o 控件。 6 支持对象的链接与嵌入技术：v b 的核心是对对象的链接与嵌入( o l e ) 技术的支持，它是访问所有对象的一种方法。利用o l e 技术，能够丌 发集声音、图像、动画、字处理、w e b 等对象于一体的程序。 7 网络功能：v b6 0 提供了d l t t m l ( d y n a m i c t t m l ) 设计工具。利用 这种技术可以动态创建和编辑w e b 页面，使用户在v b 中开发多功能 的网络应用软件。 8 多个应用程序向导：v b 提供了多种