基于嵌入式系统的桩基础检测仪的研制

1 引言

近年来,以波动应力理论为基础的桩动测技术已获得广泛应用。它的基本原理是桩顶受到桩锤冲击后,根据桩顶实测力和加速度数据分析桩的完整性。基于此种方法的测桩仪设备轻便、灵活，运输和现场安装的工作量小，测量效率高，耗时短，不易发生安全事故。  

本设计利用嵌入式系统技术开发出具有实时采集数据、分析数据、本地给出处理报告功能的测桩仪。仪器具有自动调节信号增益、数据采样速度高、数据自动存储及整机自动化程度高等特点。  

2 系统问题分析  

2.1 现有测桩仪  

测桩仪完成数据采集与处理的工作现场环境一般较为恶劣，弥漫着各种干扰(来自系统内部和外部)，当被测信号很微弱时，有效数据就会被噪声“淹没”，导致数据采集与处理误差很大，可靠性降低。

有些测桩仪配备的采集系统的频响范围过窄，桩多处断裂时动测曲线无法反映，超浅部的桩身缺陷会导致测试盲区。  

现有的一些仪器大多采用基于软件的程控放大方式，降低了数据采集系统的采样速率，对于快速的小信号无法准确反映。  

2.2 解决方法  

针对干扰信号，本系统在数据采样前的硬件上首先将信号接入模拟低通滤波器，滤除高频 噪声；在数据处理前期使用软件数字滤波器对引入的特定频率噪声进行带阻滤波。具体设计时，在A/D采样前增加模拟有源滤波器进行预滤波以限制信号带宽，去掉高于1/2抽样频率以上的高频分量，防止频谱混叠。  

传感器、采样/保持器、模/数转换器的参数指标对系统的频响范围有较大影响，选型时应从整体上权衡各部件的性能，寻求成本和速率的最佳值。  

为了既提升测量精度又减小对测量速度的影响，系统采用全硬件的高速动态放大方式。  

3 系统结构与关键技术  

首先进行功能分析，规划出系统的体系结构，列出各构件模块，然后进行底层的具体设计，最后完成系统的整合。测桩仪的结构示意图如图1所示。  
  
测桩仪设备包含的功能模块有数据采集、数据处理(含数字滤波、分析处理、图形显示及报表打印)、数据存储，外部还需配备击锤及传感器。测桩仪的信号输入接口有3个，分别为速度传感器、有源和无源加速度传感器，它们通过模拟多路选择器选定一路有效信号进入模拟低通滤波器。滤波后的信号通过采样保持器后分为二路，一路进入低精度的模/数转换比较器，实时监测信号的幅值范围并报告给控制单元，由其产生出相应的放大系数，对可编程放大器进行设置。另一路首先通过可编程放大器进行放大，然后进入高精度模/数转换比较器，最后由控制单元设定放大系数并与放大信号同步存储。数据采集部分的结构框图如图2所示。  
  
一个采样周期后，控制单元向处理器ARM申请中断，处理器读取数据信息后完成数据的预处理分析和图形显示，通过USB接口向上位机传输数据，以获得完整的数据分析和报表打印服务。数据处理和数据存储部分的结构框图如图3所示。  


  
采样过程中，数据的放大倍数与测量结果的同步时序控制是硬件需要解决的关键问题。数字滤波、数据分析计算和指数放大显示是软件需要解决的关键问题。  

3.1 硬件相关  

整个系统的结构包括数据采集、数据处理和数据存储，下面仅对部分关键技术进行讨论，随后描述控制单元的实现。  

3.1.1 动态放大技术  

由于反射波幅值变化范围大，为了使小信号也有较高分辨率，采用硬件自动实时选择信号的放大倍数，增加系统的动态范围。在最大量程下，进行一次低精度A/D转换，控制单元CPLD(复杂可编程逻辑器件)读取转换值，编码存储进16位SRAM(2个IS62C256级联)，并给放大器送出当前信号的增益系数。由于设计中采用二个可编程放大器AD526串接，增益为1、2、4、8、16、32、64、128、256九种，所以对于双极性信号，低精度ADC必须采用10位以上的模/数转换器才能满足所有增益的放大。选用MAXl426型10位模/数转换器作为低精度ADC，AD1674型12位模/数转换器作为高精度ADC，以降低开发成本。动态放大的结构框图如图4所示。  


  
利用CPLD的硬件可编程特性，将数据的采样放大与模/数转换时序设定为流水线方式，高精度ADC转换数据时，浮点放大电路同步放大下一级信号。  

后级12位ADC进行模/数转换时，前级的10位ADC又开始了下一轮数据的转换。在本设计中，12位高精度ADC转换的时间长于前级放大环节的时间，流水线的耗时主要在后一级上。