（测试计量技术及仪器专业论文）智能钻孔测斜仪设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 钻孔测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。2 0 世纪 9 0 年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产 的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜 仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。 本文从测斜仪的系统组成和工作原理出发，结合基于5 1 系列单片机的系统 开发原理及过程，重点研究了井下测试系统以及地面监控系统的软硬件设计。 该测斜仪的井下测试系统采用a t m e l 公司8 9 s 5 2 单片机为处理器核心，a d x l 2 0 3 双轴传感器为测斜器件，使用a d 5 9 0 温度传感器，i c l 7 1 3 5 为a d 转换器件， 并采用多路开关选通a 、b 两向四路传感器通道，通过r s 4 8 5 总线与地面监控系 统进行通信：地面监控系统采用s t c 的s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机为处理器核心，采 用l c d 显示器与按键的组合实现人机交互界面，采用f l a s h 芯片作为系统存储 部分，通过r s 4 8 5 实现与井下系统的通讯及r s 2 3 2 与p c 机进行数据传输。 井下系统和地面监控系统均可作为独立的功能模块单独使用，井下仪器可 作为智能测斜传感器，而地面监控系统可作为数字自动读数仪使用。这样使整 个系统具有很强的灵活性和可维护性。整个系统的软件部分采用c 5 1 语言编写， 在i 【e i lu v e r s i o n 2 编程环境下完成。 在数字电路系统迅速发展的今天，5 1 系列单片机仍然以其不断加强的新系 列以及超强的性价比发挥着重要的作用。单片机稳定性强，能适应野外恶劣的 自然环境，适合处理运算量不是很大的控制系统，开发周期短，系统易于维护 和扩展。故本系统采用单片机提供了一个低成本，高效率的测斜仪实现方案， 并于实际使用当中取得了良好的结果。 关键词：测斜仪、5 1 单片机、u v e r s i o n 2 、数据采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t i n c l i n o m e t e ri st h es p e c i f i ce q u i p m e n tf o rm e a s u r i n gb o r ei n c l i n a t i o no fb o t h i n c l i n e da n dd i r e c t i o n a lw e l l s i n c r e a s i n ge x p e c t a t i o no fb o r ei n c l i n a t i o np r e c i s i o n h a sb e e nr e q u i r e db yv a r i o u st y p e so fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r ss i n c e19 9 0 s ，h o w e v e r m o s tp r e v i o u sd e v e l o p e di n c l i n o m e t e r sc o u l dn o tm e e tt h em a r k e td e m a n d ，a n d i n c l i n o m e t e r sb u i l tw i t ht r a d i t i o n a ls t r u c t u r a lp r i n c i p l eh a v eb e e nd i s c a r d e d , t h o s e e q u i p p e dw i t hm o r ea d v a n c e ds t r u c t u r a lp r i n c i p l ee m e r g e d b a s e do nt h ei n c l i n o m e t e r ss y s t e mc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ep a p e r c o m b i n e st h e51s e r i e sm i c r o p r o c e s s o rs y s t e md e v e l o p m e n tt h e o r ya n dp r o c e s s ，a n d p r i m a r i l yi n v e s t i g a t e st h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fb o t hu n d e r g r o u n d t e s t a n dg r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 1 e u n d e r g r o u n dt e s ts y s t e mo fi n c l i n o m e t e re m p l o y st h ea t m e l s8 9 s 5 2 m i c r o p r o c e s s o ra sp r o c e s s o rc o r e ，a d x l 2 0 3d u a la x i sa c c e l e r o m e t e r sa st e s ts e n s o r ， i c l 713 5a sa dc o n v e r s i o nd e v i c e ，t h es y s t e mi se q u i p p e dw i t hm u l t i s w i t c hf o u r s e n s o rc h a n n e l sw i t h 八b t w o - w a ys e ta s i d e ，i n d i v i d u a la d 5 9 0t e m p e r a t u r es e n s o r , a n dc o m m u n i c a t ew i t ht h eg r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e mt h r o u g ht h er s 4 8 5b u s g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e me m p l o y st h es t c ss t c 8 9 c 516 r d + m i c r o p r o c e s s o ra s p r o c e s sc o r e ，h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sa c h i e v e db yc o m b i n a t i o no fl c da n d b u t t o n s ，t h es y s t e ma l s oe m p l o y sf l a s hc h i pa st h em e m o r yp a r t ，a n d ，t h r o u g ht h e r s 4 8 5b u s ，c o m m u n i c a t e sw i t ht h e u n d e r g r o u n ds y s t e ma n dc o n d u c t s d a t a t r a n s m i s s i o nb e t w e e nr s 2 3 2b u sa n dt h ep c b o t hu n d e r g r o u n ds y s t e ma n dg r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb eu s e ds e p a r a t e l ya s i n d e p e n d e n tf u n c t i o nm o d u l e u n d e r g r o u n ds y s t e m c a nb eu s e da s i n t e l l i g e n t i n c l i n o m e t e rs e n s o rw h i l eg r o u n ds y s t e ma sd i g i t a la u t o r e a d i n gi n s t r u m e n t t h u s t h ew h o l es y s t e mh a ss t r o n gf l e x i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y t h es o f t w a r eo ft h e s y s t e m ，i n c 51 l a n g u a g e ，i sp r o g r a m m e du n d e rk e i lu v e r s i o n 2d e v e l o p i n g e n v i r o n m e n t d e s p i t e t h ec u r r e n t r a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a l c i r c u i t s y s t e m ，5 1s e r i e s m i c r o p r o c e s s o r , w i t hi n c r e a s i n ga d v a n c e m e n to fn e ws e r i e s a n d c o m p e t i t i v e c o s t - e f f e c t i v er a t e ，s t i l lp l a y sas i g n i f i c a n tr o l e m i c r o p r o c e s s o rh a ss t r o n gs t a b i l i t y ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 a n dc a na d a p tt op o o rw i l dn a t u r a le n v i r o n m e n t ，i t sa l s os u i t a b l ef o rd e a lw i t hl e s s s t r o n gr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m ，a n dr e q u i r e ss i m p l em a i n t e n a n c ea n de x p a n s i o n b e c a u s eo fs h o r td e v e l o p m e n tc y c l e t h u st h es y s t e m ，晰t hm i c r o p r o c e s s o r ，p r o v i d e s al o wc o s ty e th i g he f f i c i e n c yi n c l i n o m e t e ri m p l e m e n t a t i o n s t r a t e g y ，w h i c ha c h i e v e d g o o dr e s u l t si np r a c t i c e k e y w o r d s ：i n c l i n o m e t e r ；5 1m i c r o p r o c e s s o r ；u v e r s i o n 2 ；d a t ac o l l e c t i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密可使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名删 日期：2 ，。彳岁z b 指导老师躲荔甄袤 日期：跏夕j t t 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 使用双轴传感器，提高了测试精度和测试效率；井下系统和地面监控系统 均可作为独立的功能模块单独使用，具有很强的灵活性和可维护性；s t c 单片 机具有很强的保密性，不易破解，有效的保护了知识产权。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景、意义 钻孔测斜仪是钻斜井、定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器，主要用来 测量钻井过程中各点的倾斜角、方位角和工具面角等。它是目前国内外在岩体 土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土 体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、 高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化口1 。 滑坡深部位移变形监测是滑坡稳定性监测的一种重要手段，是滑坡整体位 移变形动态综合监测的重要组成部分。在实现滑坡深部位移监测方法方面，国内 外主要采用钻孔倾斜法解决。在使用钻孔倾斜法监测滑坡时，在钻孔中埋设测 斜管，再用钻- t l n 斜仪来监测滑坡深部滑体的滑动部位、时间、滑动水平距离， 从而达到实现滑坡稳定性监测的目的口1 。这种方法的主要特点是能及时发现岩土 体在深部位置变形的发生、发展和定位，测量连续性稳定，重复性好以及测量 时不受外界环境( 施工和气候) 影响。而这种方法的关键仪器则是智能钻孔测斜 仪。 钻孔测斜仪的研究与地勘事业的发展紧密相关，新中国成立以后，我国引 进了苏联、东欧等国家的测斜仪，这些仪器的引进对当时我国测斜技术的发展 及自行研制测斜仪起到了积极作用h 1 。在2 0 世纪7 0 至8 0 年代中期，我国研制和改 进了一大批各种类型钻孔测斜仪，是我国测斜技术发展的一个鼎盛时期。8 0 年 代中期后，由于地质勘探事业的不景气，测斜技术的发展也停滞不前。随着我 国经济社会的飞速发展以及和谐社会的建设，水电大坝、铁路公路交通、桥梁、 建筑、矿山、地质环境灾害整治及其它岩土工程市场等对钻孔测斜仪有了新的 需求旧。为此，研制一套高精度，高效率和操作简单的测斜仪具有强烈的现实意 义。 智能钻孔测斜仪包括井下测试系统和地面监控系统两部分。井下仪器的关 键是使用传感器完成对倾斜角、方位角和工具面角等参数的精密测量，并使用 微控制器把测得数据经过计算、处理后传递到地面。井下仪器对数据的传输往 往通过两种方式，一种是将测得数据存储在其自带的存储器件如f l a s h 中，然后 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通过上位机来读取测试数据；一种则是自身并不完成数据的存储，将测得数据 通过标准总线实时地向上位机传输。地面监控系统主要对井下传上来的数据信 息进行接收、显示、存储和控制等。其实现方案也有两种模式，一种是直接采 用传统的p c 作为上位机，通过p c 机上的上位机软件读取井下仪器传输的数据； 一种是采用微控制器构建便携式的操控系统，可以实时的对井下仪器进行控制， 并且完成读数据的读取，存储，最后同样可以将数据通过标准总线传输至f j p c 中哺1 。 考虑到钻孔的深度，地面监控系统和井下仪器的通讯可以采用适合长距离传输 的r s 4 8 5 总线。 随着数字技术的发展，各种微控制器都有了突飞猛进的发展，而单片机作 为一种经典的微控制器，虽然受制与自身较低的运行速度，较差的浮点处理能 力以其接口的不足，但是其成熟的技术，低廉的成本，以及稳定的性能仍然发 挥着巨大的作用。事实证明，具有高性价比的单片机非但没有退出微控制器的 历史舞台，反而凭借其不断衍生的新系列和加强版本，在中小规模自动化测试 与控制领域续写着自己的传奇口1 。 在钻孔测斜仪研制的过程中，考虑到钻孔测斜仪所测试的信号皆为缓变信 号，而且地面监控系统对井下仪器的控制也并不复杂，加上钻井和钻孔中恶劣 的自然环境，选用单片机设计智能钻孔测斜仪具有很强的针对性和较高的性价 比。本系统的井下仪器部分采用了基于5 1 内核的8 9 s 5 2 单片机构建，采用多路开 关选通a 、b x 2 向四路传感器通道，使用a d 5 9 0 温度传感器，可独立搭配传感器构 成智能测斜传感器模块，也可搭配其他传感器作为数据采集卡使用；地面监控 系统以s t c 8 9 c 5 1 6 r d + 单片机为核心，以l c d 和按键的组合组成人机交互界面，以 f l a s h 芯片作为存储器件，配以r s 2 3 2 接口与p c 机通讯，可单独作为便携式智能 读数仪使用。井下系统和地面监控系统均可作为独立的功能模块单独使用，具 有极强的灵活性和可维护性。上下位机之间以4 8 5 总线连接，构成智能钻孔测斜 仪，以较低的硬件成本实现了钻孔测斜的功能，为钻孔测斜仪的研制提供了一 种有效可行的解决方案。 1 2 国内外钻孑l 测斜仪的发展现状 在长期的地倾斜观测中，倾斜仪为了满足这样一种高精度的测量，其自身 技术和性能也在不断发展和提高。一方面，传统形式的倾斜仪不断采用新技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 进行改造，另一方面，结构新颖的倾斜仪仍在不断出现。 先进国家在设计钻孔测斜仪时早已不采用偏重块和罗盘磁针，而是普遍采 用灵敏度和精度很高的加速度计以及防振性能好的磁通门。国外采用加速度计 和磁通门研制成功的钻孔测斜仪产品极为广泛普遍。在采用新型陀螺发展钻孔 测斜技术方面，美国采用了双轴加速度计的电动调谐的双轴速率陀螺和挠性陀 螺，提高了陀螺测斜仪的性能。这些新型陀螺具有可以减少漂移、提高精度、 不需要地面对准等技术优点。1 9 9 8 年瑞典人c l a e se r i c s s o n 研制成功r e f l e x m a x i b o r 钻孔测斜系统，该系统采用c c d 摄像传感器通过一个圆形水准器，摄 入两个反光圈的光学装置的测量棒，只要测知初始位置后，就可以在有磁干扰 的倾斜和水平钻孔中测量钻孔顶角和方位角。这是解决磁干扰地区测斜的一种 低成本测斜技术方法。最近，n i c o l a sf d 0 r e y e 等人研制了一种4 3 m 长的w t h 2 0 型水管倾斜仪，这种倾斜仪没有传统水管倾斜仪的浮子导向装置。w t h 2 0 型水 管倾斜仪既能检测地震信号又可以由地壳变化引起的长周期地倾斜信号，并且 在整个测量频段内都具有高分辨率和低噪声水平，测量精度优于5 1 0 1 2 r a d ， 漂移率小于0 0 0 5 m r a d 月埽1 。 我国钻孔倾斜仪的研究起步较晚，一些重要工程所急需的钻孔倾斜仪，都 是从国外进口。2 0 世纪8 0 年代，南京水利科学院和南京自动化设备厂等一些单 位研制成功了电阻应变片式钻孔倾斜仪；1 9 8 6 年航天部3 3 所与北京水科院联合 研制成功伺服加速度计式钻孔倾斜仪，正式定型为c x o l 型数字显示测斜仪， 在国内使用广泛；随后航天部7 0 2 所开发研究成功5 5 1 2 型滑动式测斜仪( 伺服加 速度计式) ；冶金工业部武汉勘察研究院研制成功c x 一5 6 型高精度钻孔测斜仪 ( 液体泡光电式) ；为解决测斜管扭转问题，1 9 9 0 年中国水科院仪表研究所研制 成功了c n 型测扭仪。n 9 0 年代，很多厂家已生产出多种类型用于土工测试的倾 斜仪。目前在滑坡监测领域，国内外深部位移监测设计孔深多在8 0 m 以内，销售 的仪器也多配以5 0 8 0 m 电缆，采用人工提拉、有缆测量。但是，在孔深超过8 0 m ， 甚至达3 0 0 多米，有缆人工提拉测量受到先天制约旧1 。 目前，测斜仪的在测斜技术上取得了一些最新进展，随着微位移检测技术 的发展和对地壳形变观测仪器要求的不断提高，短基线倾斜仪的研究也取得了 很大的进展，新的测量原理和新的结构设计不断涌现。这里面比较有代表性的 研究成果有折叠摆倾斜仪、激光倾斜仪以及二维垂直摆倾斜仪等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 从研究方面看，高精度倾斜仪的发展方向主要集中在以下几个方面： 1 、追求仪器的小型化、实用化，拓宽仪器的安装场所，方便倾斜仪的使用。 2 、尽可能拓展仪器测量频带，监测不同频段地面倾斜运动，以获取丰富的 地倾斜信息。 3 、实现倾斜仪的数字化。倾斜仪的数字化是新一代地壳形变观测仪器的显 著特点，很多地震台站不仅要求新型倾斜仪具有数字化功能，而且不断对已有 的倾斜仪进行数字化改造。 4 、改进仪器灵敏度标定方法和对比不同倾斜仪器的观测结果。高精度倾斜 仪观测精度的提高除了与仪器、使用环境和设备管理等密切相关以外，在很大 程度取决于其自身灵敏度标定的准确性。倾斜仪灵敏度标定工作是研究的重要 方面之一，尤其是避免中间环节不确定性的直接标定法们。 1 3 主要研究内容 本课题的主要研究内容是： i 通过对国内外钻孔测斜仪的研制进行深入的了解，分析总结了现有测斜 仪的测斜理论和实现方案，确定了以单片机为核心的系统总体设计方案； 2 选择经济适用的元器件； 3 系统软、硬件设计； 4 对系统进行调试。 本文共分6 章。第一章为绪论，首先阐明了选题的背景以及研究意义，接 着介绍了国内外相关领域的研究现状，最后介绍本文的主要研究内容。第二章 详细阐述了钻孔测斜仪的整体设计方案，包括钻孔测斜仪的工作原理以及测斜 数据的处理方法。第三章钻孔测斜仪的井下仪器的系统设计，包括其系统原理 和硬件构成，以及具体功能电路的设计。第四章介绍了钻孔测斜仪的地面监控 系统的系统设计，包括其系统原理和硬件构成，以及具体功能电路的设计。第 五章介绍了整个系统的p c b 板设计。第六章为钻孔测斜仪的软件设计部分，主 要介绍地面监控系统和井下仪器的各部分软件设计以及上下位机的通讯。文章 的最后是结论，对论文的不足以及未来的展望进行了阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章钻孑l 测斜仪整体方案设计 2 1 钻孔测斜仪测斜原理 2 1 1 基于加速度传感器的测斜原理 基于加速度传感器的测斜仪原理是根据铅垂受重力影响的结果，将加速度 传感器安装于一探头内，测试测斜探头轴线( 或测斜管轴线) 与铅垂线之间的倾 角即为钻孔倾斜角。加速度传感器的敏感轴与探头的轴线呈垂直关系，如果把 重力铅垂方向与探头的轴线之间夹角设为为p ，则加速度传感器的敏感轴与水 平面之间的夹角也为伊，其示意图如图2 - 1 所示。 水平面 敏感轴 图2 - 1 传感器倾角示意图 当秒为0 。时，设加速度传感器的输出电压为k ，此时传感器敏感轴上无 重力加速度分量；当秒为9 0 。时，设加速度传感器的输出电压为k ，此时重力 加速度全部在传感器敏感轴上；当日介于0 。到9 0 。之间，则加速度传感器感 受一个重力加速度分量，输出电压为： = k + ( 一k ) s i n 6 ( 2 1 ) 其中k 为零偏值，因为一般情况下零偏总是存在的。 则倾角为： 8 = a r c s i n f 箬喜1 ( 2 2 ) l 一k 。 由此可知，用于测斜仪的加速度传感器的输出电压与倾角p 的正弦值呈线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性关系。 为了更准确的反应钻孔的倾斜，可以通过测试在水平面上相互垂直的两个 方向( x ，y ) 上的倾角( 口，) 的变化，反映出钻孔倾斜的情况。故而本设计 采用了a ，b 双轴( 对应传感器的x 轴和y 轴) 的测量，以重力矢量作为基准，将传 感器的x 轴和y 轴水平放置定义为o 。，此时加速度传感器处于水平位置。参考 面x o y 平面为水平面，z 轴为重力势方向，见于图2 - 2 。 图2 2 加速度传感器的坐标系与倾角关系 一般在现场使用中，要对被测结构物( 如岩土) 逐段进行测量，这样就需要 在被测结构物上埋设测斜管，测斜管内径上有两组互成9 0 。的导向槽，分别代 表测量过程中的x 和y 两个方向，测斜仪探头顺导向槽放入测斜管内，这样就保 证了在测斜过程中水平面上的两个正交方向不会发生角度偏移。 当加速度传感器测量时，当它以0 点为参考点绕x 轴或绕y 轴转动时，有： 口= a r c s i n ( 出一形一k ) ( 2 3 ) = a r c s i n ( 矿一k ) ( 2 4 ) 这样便得出了双轴加速度传感器的敏感轴与水平面上x ，y 之间的夹角。 为了有效地消除加速度传感器所存在的系统误差，在测量过程中，每个方 向( x ，y ) 的倾角值应逐段正、反方向各测读一次，取其差值的一半作为各 段的位移量。即： v = ( v o k ) 2 ( 2 9 ) 式中v 为某个方向的实时测量值，它是通过该方向上正、反两个测量值计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 算得。 2 12 水平位移的测量 本设计的测斜仪主要针对岩土工程变形检测，通过测量倾斜角，在己知测 量间距的前提下，便能够实现把测量得到的倾角大小转化为水平位移量的大小。 这样就需要在岩土体中或被测结构物中埋设测斜管，当岩土体或被测结构物产 生变形时，通过测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量，来监测土、岩石和 建筑物的侧向位移“1 。 测斜仪探头顺导向槽放入测斜管内。预埋的测斜管和被测结构物结合为一 体，当被测结构物产生倾斜变形时，测斜管也会随之产生位移，所以测斜管的 位移就是被测结构物的位移。测量原理如图2 3 所示： 图2 3 测斜原理崮 带有导向滑轮的倾斜仪在测斜管中按倾斜仪标距l 逐段测出测斜管与铅垂 线的夹角p ，分别求出不同高程处水平位移吐，即 d = l s i n 伊( 2 6 ) 由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的实际水平位移也，即： b 。= d ( 2 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 而测斜管管口累积水平位移为b ： _ b ：yd ； ( 2 8 ) j 一 。 j = 1 全孔段测量完成后，可以得出沿测斜管轴线不同孔深的水平位移的变化情 况。 式中：d ，- - n 量段水平位移： 口；- - n 量段测斜管与铅垂线的夹角； b 。一自孔底开始第i 个测点的水平位移； l _ 测量点的分段长度，即仪器标距； 卜本次测量管口的水平位移； 卜本监测孔分段数量，n = h l ，h 为孔深。 2 1 3 传感器的选择 根据本设计测斜模型的原理，需要对x ，y 两个垂直方向进行测量，故本设 计选用的硅微型双轴加速度传感器a d x l 2 0 3 作为倾角测量传感器。其原理为通 过测量重力加速度g 在敏感轴上的分量，通过计算将其转换成倾角，得到传感器 相对于水平面的倾斜和俯仰角度。这样在测量过程中，在测量完圪方向的数值 之后，将测斜仪探头旋转1 8 0 。即可测量k 方向的数值，提高了测量的效率。 2 2 钻孔测斜仪总体设计方案 在建立了测斜仪的数学模型，并选定测试数学参数的传感器之后，就需要 对整个系统进行严谨而缜密的系统设计，包括系统的硬件设计和软件设计。 2 2 1 硬件系统设计方案 钻孔测斜仪的整个硬件系统包括井下仪器部分和地面监控系统两个部分。 本设计的初衷是将井下系统和地面监控系统均设计为独立的功能模块，井下和 地面信号传输的方式为电缆传输。从而使整个测斜仪系统具有极强的灵活性和 可维护性。 整个硬件系统的设计原理框图如图2 - 4 所示： 本系统中，井下仪器部分主要完成对倾斜角参数的精密测量，并使用微控 制器把测得数据经过计算、处理后传递到地面。采用双轴传感器，测量方向为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 计 算 机 系 统 a 向倾角传感器 b 向倾角传感器 温度传感器 传 感 器 接 口 多 路 开 关 模 数 转 换 器 井 下 仪 脚5 接口匕刊 单片机 l器 脑耜5 接口 硒2 3 2 接口 单片机 液晶显示 模块 按键模块 数毳囊储l 地面监控系统 图2 4 钻孔测斜仪硬件系统 水平二向，对于一个监测孔，只需转动仪器1 8 0 。一次即可测量出a o ，b o ，a 1 8 0 ， b 1 8 0 测值，相比以前的单轴倾斜仪，大大提高了测量效率。这是一个典型的数 据采集系统，电路板上预留多个传感器接口，方便传感器的安装、拆卸以及更 换，通过多路开关对传感器信号进行选通，从而进入a d 芯片完成模数转换， 方便单片机对数据进行处理。井下仪器并不自带数据存储器件，而是通过电缆 实时的接受地面监控系统的指令，按需要将测得数据传输至地面监控系统。通 过更换不同的传感器，井下系统还可以完成其他信号的采集和测试，具有极强 的灵活性。 本系统的地面监控系统主要通过标准的r s 4 8 5 总线与井下系统进行通讯， 对井下传上来的数据信息进行接收、显示、存储和控制。通过按键和l c d 显示 屏构成人机交互界面，可以实时的对井下仪器进行监控，并对接受的数据进行 存储，最后可以通过r s 2 3 2 接口与p c 机连接，将所有数据传输至p c 中进行保 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 存或者进一步的分析。这样构建的监控系统由于功能针对性强，而且体积小巧， 可以作为便携式数字自动读数仪使用，极大的方便了现场的数据采集，避免了 携带体积庞大的p c 的不便。 2 2 2 软件系统设计方案 系统硬件离不开软件的支持，以上的硬件系统要想实现其测斜目的，必须 要与软件系统相结合。软件系统跟硬件系统一样也主要包括地下和地面两个部 分。地下系统的软件主要配合测斜传感器的硬件电路完成数据的采集，计算和 传输；地面监控系统软件主要由单片机完成数据的接受，存储和显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第3 章井下仪器硬件设计 3 1 井下仪器整体架构 井下仪器是以单片机为核心的数据采集系统，a 、b 两个在水平面上相互 垂直的4 路传感器信号，温度传感器信号以及电池电压六路模拟量首先进行低 通滤波以去除高频干扰，滤波后的六路模拟量在多路开关的选通下送到a d 进 行模数转换，接下来是对转换后的数字量进行一些倾角计算、数据存储传输等。 井下仪器的的硬件结构如图( 3 1 ) 所示： 图3 1 井下仪器的的硬件结构图 在器件选型方面，多路开关选用8 路模拟通道开关控制器a d 7 5 0 1 。单片机选 用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 ，它自带看门狗，可以负责监视c p u 的运作，保证程序的 可靠工作。电路a d 转换器选用m a x i m 公司的4 位半动态分时轮流输出b c d 码的双 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 斜积分a d 转换器。串行数据传输采用适合长距离传输的r s 4 8 5 总线的m a x 4 8 5 芯 片。 3 2 控制核心a t 8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 8 位微控制器，具有8 k 在系统可编程 f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产 品指令和引脚完全兼容。片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规 编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位c p u 和在系统可编程f l a s h ，使得a t 8 9 s 5 2 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 ( t 2 ) p 1 0 f r 2d ( ) p 1 1 p 1 2 p 1 3 p 1 4 ( m o s i ) p 1 5 ( m l s o ) p 1 6 ( s c k ) p 1 7 r s t ( r x d ) p 3 0 ( t x 0 1p 3 1 f i n t 0 ) p 3 2 l n t l ) p 33 ( t 0 ) p 34 ( t 1 ) p 3 5 ( w r ) p 3 6 r d ) p 3 7 x t a l 2r 、l t a l l n l g n d v c c p 0 o ( a d o ) p 0 1 ( a d l ) p o 2 ( a d 2 ) p 0 3 ( a d 3 ) p 0 4 ( a d 4 ) p 0 5 a d 5 ) p 0 6 ( a d 6 ) p 0 7 ( a d 7 ) e a 、，p p a l e ，p r o 石 p s e n p 2 _ 7 ( a 1 5 ) p 2 6 ( a t 4 ) p 2 5 a 1 3 ) p 2 4 a 1 2 ) p 2 3 ( a 1 1 ) p 2 2 a 1 0 ) p 2 1 a 9 ) p 2 0 ( a s l 图3 28 9 s 5 2 的引脚配置图 相比起同系列的a t 8 9 s 5 1 的4 k r o m 、1 2 8 r a m 、4 个中断源、2 个定时器，a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i 0 口线，看门狗定时 器，2 个数据指针，三个1 6 位定时器计数器( 比5 1 多出的定时器具有捕获功 能) ，一个6 向量2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式 0 9 8 7 6 5 4 3 2 ，0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 下，i 洲内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或 硬件复位为止。 考虑到井下仪器作业的环境相对较恶劣，故本设计采用4 0 脚的d i p 封装的 a t 8 9 s 5 2 ，其引脚排列如图3 2 所示： v c c ：电源 g n d ：地 p 0 口：p 0 口是一个8 位漏极开路的双向i o n 。作为输出口，每位能驱动8 个 t t l 逻辑电平。对p 0 端口写“1 时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时，p 0 口也被作为低8 位地址数据复用。在这种模式下，p o 具有内 部上拉电阻。在f l a s h 编程时，p 0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出 指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p 1 口：p 1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i 0 口，p 1 输出缓冲器能驱 动4 个”l 逻辑电平。对p 1 端口写“1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流( i i l ) 。此外，p 1 o n p l 2 9 别作定时器计数器2 的外部计数输入 ( p 1 o t 2 ) 和时器计数器2 的触发输入( p 1 1 t 2 e x ) ，具体如下表3 - 1 所示。 在f l a s h 编程和校验时，p 1 口接收低8 位地址字节。 表3 - 1p 1 口部分管脚第二功能 引脚号 第二功能 p 1 0 t 2 ( 定时器4 t 数器t 2 的外部计数输入) ，时钟输出 p 1 1 t 2 e x ( 定时器计数器t 2 的捕捉重载触发信号和方向控制) p 1 5m o s i ( 在系统编程用) p 1 6 m i s o ( 在系统编程用) p 1 7s c k ( 在系统编程用) p 2 口：p 2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 输出缓冲器能驱 动4 个t t l 逻辑电平。对p 2 端口写“l 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流( i i l ) 。在访问外部程序存储器或用1 6 位地址读取外部数据存储器 ( 例如执行m o v x d p t r ) 时，p 2 口送出高八位地址。在这种应用中，p 2 口使用 很强的内部上拉发送1 。在使用8 位地址( 如l o v x r i ) 访问外部数据存储器时， p 2 口输出p 2 锁存器的内容。在f l a s h 编程和校验时，p 2 口也接收高8 位地址字节 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 和一些控制信号。 p 3 口：p 3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 3 输出缓冲器能驱 动4 个1 ，i l 逻辑电平。对p 3 端口写“1 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流( i i l ) 。p 3 口亦作为a t 8 9 s 5 2 特殊功能( 第二功能) 使用，如表3 - 2 所示。在f l a s h 编程和校验时，p 3 口也接收一些控制信号。 表3 - 2p 3 口管脚第二功能 引脚号第二功能 p 3 o r x d ( 串行输入) p 3 1t x d ( 串行输出) p 3 2i n t o ( 外部中断0 ) p 3 3 j 丁1 ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 定时器o 外部输入) p 3 5 t 1 ( 定时器1 外部输入) p 3 6w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7r d ( 外部数据存储器读选通) r s t ：复位输入。晶振工作时，r s t 脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后，r s t 脚输出9 6 个晶振周期的高电平。特殊寄存器a u x r ( 地 址8 e h ) 上的d i s r t o 位可以使此功能无效。d i s r t o 默认状态下，复位高电平有效。 儿e p r o g ：地址锁存控制信号( a l e ) 是访问外部程序存储器时，锁存 低8 位地址的输出脉冲。在f l a s h 编程时，此引脚( p r o g ) 也用作编程输入脉 冲。在一般情况下，a l e 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部 定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，a l e 脉冲 将会跳过。如果需要，通过将地址为8 e h 的s f r 的第o 位置“1 ，a l e 操作将无 效。这一位置“1 ”，a l e 仅在执行m o v x 或m o v e 指令时有效。否则，a l e 将被微 弱拉高。这个a l e 使能标志位( 地址为8 e h 的s f r 的第0 位) 的设置对微控制器处 于外部执行模式下无效。 p s e n ：外部程序存储器选通信号( p s e n ) 是外部程序存储器选通信号。 当a t 8 9 s 5 2 从外部程序存储器执行外部代码时，p s e n 在每个机器周期被激活两 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 次，而在访问外部数据存储器时，p s e n 将不被激活。 e af l v p p ：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0 0 0 0 h 至u f f f f h 的外部程 序存储器读取指令，刨必须接g n d 。为了执行内部程序指令，尉应该接。 在f l a s h 编程期间，剧也接收1 2 伏k p 电压。 x t a l l ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 x t a l 2 ：振荡器反相放大器的输出端。 看门狗定时器：w d t 是一种需要软件控制的复位方式。w d t 由1 3 位计数器和 特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器( w d t r s t ) 构成。w d t 在默认情况 下无法工作；为了激活w d t ，户用必须往w d t r s t 寄存器( 地址：o a 6 h ) 中依次写 入0 1 e h 和o e l h 。当w d t 激活后，晶振工作，w d t 在每个机器周期都会增加。w d t 计 时周期依赖于外部时钟频率。除了复位( 硬件复位或w d t 溢出复位) ，没有办法 停止w d t 工作。当w d t 溢出，它将驱动r s r 三j i 脚一个高个电平输出。 w d t 的使用：为了激活w d t ，用户必须向w d t r s t 寄存器( 地址为o a 6 h 的s f r ) 依次写入o e l h 和o e l h 。当w d t 激活后，用户必须向w d t r s t 写入0 1 e h 和o e l h 喂狗来 避免w d t 溢出。当计数达至1 j 8 1 9 1 ( 1 f f f h ) 时，1 3 位计数器将会溢出，这将会复位 器件。晶振正常工作、w d t 激活后，每一个机器周期w d t 都会增加。为了复位w d t ， 用户必须向w d t r s t 写入0 1 e h 和o e i h ( w d t r s t 是只读寄存器) 。w d t 计数器不 能读或写。当w d t 计数器溢出时，将给r s t 引脚产生一个复位脉冲输出，这个复 位脉冲持续9 6 个晶振周期( t o s c ) ，其中t o s c = i f o s c 。为了很好地使用w d t ， 应该在一定时间内周期性写入那部分代码，以避免w d t 复位。 掉电和空闲方式下的w d t ：在掉电模式下，晶振停止工作，这意味这w d t 也 停止了工作。在这种方式下，用户不必喂狗。有两种方式可以离开掉电模式： 硬件复位或通过一个激活的外部中断。通过硬件复位退出掉电模式后，用户就 应该给w d t 喂狗，就如同通常a t 8 9 s 5 2 复位一样。通过中断退出掉电模式的情