1 引言
本静力测量装置用于铁路系统野外地质勘探。静力测量通过单桥、双桥桥式测量电路进行。在初始状态,该桥平衡,桥路输出的电压差为零;由于土层压力,导致桥臂的一个阻值发生变化,从而使桥臂不平衡,这个不平衡反映在电压差上。该电压经过放大电路放大,最终作为AD转换器的的输入电压信号。本系统所要采集的信号既有探头锥尖压力、也有探头侧壁的压力,故单桥、双桥电路都采用。
2 系统硬件结构
系统采用主从式结构。该系统包含进行信号模数转换的AD转换器,存储数据的Flash、存储程序代码的ROM,显示操作界面的液晶显示屏、用户进行操作的小键盘、完成系统管理任务的主处理器和完成子程序功能模块的从处器。并口用来下载程序、实现同PC机通讯及数据的传输。压力探头有可能碰到石头等硬物,蜂鸣器则用来报警提示。系统组成原理如图1所示。
MSU2964主单片机的主要功能是对用户界面进行菜单管理、对各个I/O外设的控制、以及响应用户的各项操作。从单片机则负责响应主单片机传来的每一个函数调用指令。这样分配既可以平衡主、从单片机之间的运算量,即主单片机使用的每个功能函数实际的执行由从单片机完成,主单片机只需通过通讯端口发出对应函数的编号,然后再从端口接受从单片机返回的数据。
显示设备采用128×220像素的点阵型液晶,通过该设备可以提供菜单、操作对话框和图形曲线的显示。而用户的输入则通过小键盘实现, AD转换器选用ICL7135,此AD为BCD码4位半,精度比较高,有4个通道,满足地质勘测对压力数据精度的要求,同时也可以测量多个压力量。由于土层静力测量的数据量很大,采用128KB字节的Flash。
3 系统软件设计
本系统软件设计有两个主要特点。①采集的数据均以文件的形式存储。也就是说,在物理上并不要求存储空间是连续的,本系统自动保证同一个文件里面的数据在逻辑上是连续的,这样方便了在界面实现过程中不必在意存储单元的分配,而专注于界面和功能实现;方便了在本单片机系统上直接实现上位机的数据处理功能,比如数据的修改、删除或者整个数据文件的删除和建立。尤其是在执行删除操作之后,存储单元中就会出现“空洞”,即浪费了一部分空间;采用逻辑连续后,只需改变尾指针即可,不用整体移动其他没有被操作的数据,从这个意义上来说,提高了使用效率和操作速度。②用户操作均以菜单形式实现。特点是操作界面非常友好,所有操作均以菜单形式操作,功能实现一目了然。本压力测量系统菜单的总体设计如图2所示.
用户对菜单的所有操作都通过方向键选择,回车键确定。因此,主程序就可以通过这些信息来确定当前是菜单的哪一个级别和哪一个菜单项。也就是,主程序使用for循环语句和switch语句不断地循环判断,准确地定位到1, 2级菜单中的哪个具体的菜单项目(功能模块),然后在每个功能子模块中实现其对应的功能。该程序流程图如图3所示。
系统功能模块设计主要包括初始化模块、数据整理模块、通讯模块和辅助模块。初始化模块的任务是标定和测量,此二项也是整个测量系统的核心。因为压力探头测量是通过桥式差分电路来测量压力的,故在开始测量之前,为避免初始值过大,而使测量量程减小,初始调零则令差分电路初始值尽量接近零。
整理模块主要实现数据的插入、删除、修改,数据文件的删除,数据的打印等功能。在数据采集完成之后,对于一些冗余数据、缺省数据或者异常数据,只需通过此系统再次打开其数据文件,那么数据就自动绘制成图形,用户可以很直观地判断数据是否缺省、冗余或者异常。
通讯模块实现将存储器中的数据上传给PC机。然后由PC机的后续处理软件对数据进行处理和分析。
系统模块相当于本系统说明书。此模块主要介绍本系统操作规程、注意事项,以及系统时间的设置;同时还说明了本系统在碰到一些故障后,导致该故障的原因和操作、如何纠正以及其他一些和本系统相关的一些信息说明。
4 结束语
实践表明,该系统设计合理、运行可靠。在野外地质压力勘测中,性能稳定,方便携带,使用方便灵活,提高了工作效率。单片机系统的菜单式操作大大简化了用户的操作,上位机上的后续数据处理软件提供了非常方便的数据接收和数据分析功能。
参考文献:
[1]游志宇.并行端口数字信息的输入/输出[M].中国科学院光电技术研究所, 2004.
[2]汪德彪,等.MCS51单片机原理及接口技术[M].电子工业出版社, 2003.
[3]谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社, 1999.
作者简介:付敏(1981—),男,硕士研究生,主要从事自动化方面的研究。
