《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PSoC的無(wú)線靜載儀采集系統(tǒng)
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摘要: 根據(jù)靜載檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的新需求,,采用Cypress公司的CY8C24894芯片作為系統(tǒng)的主控部分,,提出了基于子節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)三層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸方案,設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)、傳感器接口、無(wú)線傳輸模塊等硬件電路,給出了前端數(shù)據(jù)采集,、通信控制等軟件流程,并成功實(shí)現(xiàn)US-BUART仿真串口通信功能,。實(shí)際測(cè)試表明,,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)性強(qiáng),、精度高,,可廣泛應(yīng)用于樁基承載力的靜載試驗(yàn)中。
Abstract:
Key words :

  近年來(lái),,我國(guó)工程建筑事業(yè)開(kāi)展迅猛,,城市高層建筑也隨之得到了前所未有的高速發(fā)展。樁基的成樁質(zhì)量與其實(shí)際承載力關(guān)系到整個(gè)高層建筑的設(shè)計(jì)和安危,,因此對(duì)于高層建筑而言,,樁基承載力檢測(cè)非常重要。我國(guó)建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JCJ94-94)規(guī)定:對(duì)于一級(jí)建筑物以及缺乏可參照試樁資料的二級(jí)建筑物為確定單樁豎向極限承載力,,應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn),。

  現(xiàn)有的靜載檢測(cè)儀雖然做到了白動(dòng)化、智能化,,但是都是基于有線連接方式的,,并且所使用的8位MCS-51單片機(jī)" title="單片機(jī)">單片機(jī)功耗較大、功能較單一,,數(shù)據(jù)盒與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)采用RS-232串口通信,,無(wú)法適應(yīng)電子系統(tǒng)無(wú)線化、小型化,、高效化,、集成化,、節(jié)能化的發(fā)展需求。并且新一代的PC機(jī)上的COM接口已逐浙消失,,單獨(dú)設(shè)計(jì)USB" title="USB">USB轉(zhuǎn)RS-232會(huì)帶來(lái)不必要的麻煩,,開(kāi)發(fā)帶有USBUART仿真串口的傳輸接口是當(dāng)今檢測(cè)儀器" title="檢測(cè)儀器">檢測(cè)儀器的發(fā)展需要。

  PSoC的特點(diǎn)在于既具有8位微控制器的處理能力,,又集成了多種可編程數(shù)字用戶模塊,。值得一提的是,PSoC史無(wú)前例地集成了多種可編程模擬用戶模塊功能,,將全數(shù)字式的微控制器設(shè)計(jì)與純粹的模擬設(shè)計(jì)相結(jié)合,,是一種具有SoC的基本原理的,、基于高度靈活且完全可編程混合信號(hào)的全新一代器件,。

  CyFi低功耗無(wú)線射頻技術(shù)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn),、可實(shí)現(xiàn)多信道跳變等特點(diǎn),,使其成為無(wú)線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新生力量,能廣泛應(yīng)用于工業(yè),、消費(fèi)電子,、汽車家電、智能建筑等多種無(wú)線控制應(yīng)用中,。

  CY8C24894是Cypress公司推出的帶有M8C控制內(nèi)核的PSoC可編程片上系統(tǒng),,系統(tǒng)資源中帶有USBUART傳輸模塊。本文圍繞這款高性能,、低功耗的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線采集" title="采集">采集系統(tǒng),。

  1系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理

  系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)上傳部分。數(shù)據(jù)采集部分由5個(gè)子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)CyFi無(wú)線傳輸技術(shù)組成,。其中,,子節(jié)點(diǎn)又分為4個(gè)位移子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)壓力子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)的核心控制單元是PSoC可編程片上系統(tǒng),,負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并控制CyFi無(wú)線模塊發(fā)送,。另外,位移傳感器采用數(shù)字容柵式MS50傳感器,,輸出量為數(shù)字信號(hào),。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器MPM480,輸出量為模擬信號(hào),,需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。
 

  數(shù)據(jù)上傳部分由匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過(guò)USBUART傳輸技術(shù)組成,匯聚節(jié)點(diǎn)由基于PSoC可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)盒控制,。數(shù)據(jù)盒通過(guò)CyFi無(wú)線模塊,,收集到全部子節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ),,當(dāng)?shù)玫缴衔粰C(jī)讀取數(shù)據(jù)命令后,通過(guò)USB接口模擬的串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī),。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,。


 

圖1 采集系統(tǒng)框圖

  2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  2.1 CY8C24894可編程片上系統(tǒng)

  CY8C24894是一種高速低功耗的芯片,內(nèi)含的M8C處理器工作頻率最高可為24 MHz,,工作電源為3.3 V或5 y,。CY8C24894內(nèi)含1個(gè)XRES引腳支持系統(tǒng)內(nèi)串行ISSP編程和外部復(fù)位控制。并且,,CY8C24894不需要外部晶振驅(qū)動(dòng)便可以開(kāi)始工作,。CY8C24894包含7個(gè)lO端菅口:Port0、Polt1,、Polt2,、Port3、Port4,、Port5 和 Port7,,共49個(gè)GPIO。模擬系統(tǒng)包括2列6個(gè)可編程模擬模塊和模擬互聯(lián)邏輯,,數(shù)字模塊包括1行4個(gè)可編程數(shù)字模塊和數(shù)字互聯(lián)邏輯,,另CY8C24894片上還集成了16 KB的Flash程序存儲(chǔ)器,1 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。

  可編程片上系統(tǒng)CY8C24894集成了全速USB通信模塊,、2個(gè)帶32位累加的高速8位乘法器、多個(gè)SPI主,、從設(shè)各,、6~14位模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器、濾波器" title="濾波器">濾波器,、最大增益為48的可編程增益放大器PGA,、6~9位模數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器等片上資源,。

  2.2無(wú)線模塊

  射頻芯片采用CYRF7936芯片,,為40引腳的QFN封裝芯片。工作的ISM頻段為2.4 GHz~2 483 GHz,,工作電壓為1.8 V~3.6 V,,支持速度為4 MHz的sPI微控制器接口,需外接12 MHz的晶振,。

  CyFi無(wú)線射頻技術(shù)是Cypress公司2008年底提出的面向嵌人式控制領(lǐng)域的一款低成本\低功耗,、高可靠性的無(wú)線射頻解決方案,工作于無(wú)許可限制的2,,4 GHz[SM頻段,。CyFi無(wú)線射頻解決方案由PSoC控制核心,、無(wú)線射頻收發(fā)器和CyFi星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧組成。PSoC可編程片上系統(tǒng)包含了CyFi星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧預(yù)配置固件用戶模塊,,并以源代碼的形式提供了全部應(yīng)用程序的接口,,總共只需8個(gè)API指令便能完成設(shè)計(jì)。CyFi收發(fā)器輸出功率高達(dá)+4 dBm,,接收靈敏度高達(dá)-97 dBm,,能實(shí)現(xiàn)跳頻傳輸和DSSS調(diào)制抗干擾,并能根據(jù)鏈接管理需求,,自動(dòng)調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)速率,,以1 Mbis、250 kb/s或125 kb/s的速率進(jìn)行通信,。

  2.3傳感器模塊
 

  本設(shè)計(jì)中位移子節(jié)點(diǎn)采用巖土工程監(jiān)測(cè)中常用的數(shù)字容柵式位移傳感器MS50,,其分辨率為0.01 mn1,精度為±0 03 min,,電子容柵式位移傳感器MS50的輸出信號(hào)如圖2所示,,分為CLK和DATA兩路信號(hào)進(jìn)行傳輸⊙由示波器檢測(cè)輸出信號(hào)可知:信號(hào)的頭尾為標(biāo)志位,,且為4位高電平值,。位移傳感器MS50每250 Ins傳輸一幀48位的數(shù)據(jù)包,這個(gè)數(shù)據(jù)包由各分為24位的兩組數(shù)據(jù)組成,。其中,,后一組數(shù)據(jù)為前一組數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)零值后的差值,即為前一組數(shù)據(jù)的倒相輸入,。


 

圖2位移傳感器輸出信號(hào)格式

  MS50傳感器的輸出時(shí)鐘頻率為90 kHz,,出現(xiàn)標(biāo)志位后,時(shí)鐘信號(hào)第一次有電平向下跳變時(shí),,開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)信號(hào)上的信息,,直到尾部標(biāo)志位出現(xiàn)為止。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后,,輸出DATA和CLK兩個(gè)信號(hào),,供CY8C24894讀取。

  壓力子節(jié)點(diǎn)采用的是MPM480壓阻式壓力傳感器,,供電電源為15 V~28 V,,輸出為模擬信號(hào)4 mA~20mA。由于CY8C24894內(nèi)部含有可編程增益放大器PGA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC" title="ADC">ADC,,所以將壓力傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后直接連CY8C24894的模擬輸人引腳,。接口電路如圖3所示。


 

圖3壓力傳感器接口電路

  2.4總體硬件電路

  總體電路由4個(gè)位移子節(jié)點(diǎn)電路,、1個(gè)壓力子節(jié)點(diǎn)電路和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)電路組成,。CY8C24894與CYRF7936的連接如圖4所示,。



 

圖4 CY8C24894與CYRF7936

 

  子節(jié)點(diǎn)包括位移傳感器子節(jié)點(diǎn)和壓力傳感器子節(jié)點(diǎn)兩種。CY8C24894讀取位移數(shù)據(jù)后,,將位移量保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,,并保持位移量實(shí)時(shí)更新。當(dāng)需要傳輸位移數(shù)據(jù)量時(shí),,CY8C24894控制SPI總線以主設(shè)備模式向從設(shè)各模式的無(wú)線射頻模塊CYRF7936傳輸信號(hào),,并以無(wú)線方式發(fā)送出去,SPI模塊工作時(shí)鐘YCI為系統(tǒng)的四分頻,,即6 MHz,。壓力傳感器子節(jié)點(diǎn)輸出的是模擬量,因此需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后才能由控制核心CY8C24894存儲(chǔ)和控制射頻模塊發(fā)送,。而A/D轉(zhuǎn)換功能使用CY8C24894可編程片上系統(tǒng)自身所帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,,模數(shù)轉(zhuǎn)換器在CY8C24894中需要占用2個(gè)可編程數(shù)字用戶模塊和1個(gè)可編程模擬模塊。子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)如圖5所示,。


 

 圖5子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)訓(xùn)

  匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)類似,,但是不再需要前端采集模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)在解析命令后通過(guò)SPI總線控制CYRF7936無(wú)線射頻模塊發(fā)送命令,。在得到回復(fù)后將信息再由CYRF7936無(wú)線別頻模塊通過(guò)SPI總線傳輸給控制核心,,并最終通過(guò)USBUART仿真串口反饋給上位機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)電路如圖6所示,。


 

 圖6匯聚節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

  3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  3.1子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

  子節(jié)點(diǎn)采集功能分為位移量采集和壓力量采集,。位移傳感器的輸出信號(hào)在CLK時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)下跳沿時(shí),開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸,,而如果此時(shí)出現(xiàn)中斷,,則會(huì)導(dǎo)致位移量采集無(wú)法進(jìn)行,在檢測(cè)到CLK的標(biāo)志信號(hào)后,,應(yīng)關(guān)閉中斷,,讓位移數(shù)據(jù)采集正常進(jìn)行,讀取完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存更新,,同時(shí)再次打開(kāi)外部中斷,,等待下一次位移數(shù)據(jù)的采集,位移量采集流程如圖7所示,。


 

圖7位移量采集流程

 

  壓力采樣過(guò)程為:首先讀取壓力傳感器的輸入信號(hào),,并通過(guò)CY8C24894內(nèi)部可編程增益放大器PGA對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大,對(duì)放大后的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,,其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCINC12時(shí)鐘為VC2,,即val的三分頻2 MHz。轉(zhuǎn)換完成后,,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,、保存,、更新,壓力量采集流程如圖8所示,。


 

圖8壓力量采集流程

  3.2匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

  在接到上位機(jī)命令后,,匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令解析。當(dāng)開(kāi)始讀取并更新數(shù)據(jù)工作時(shí),,首先讀取匯聚節(jié)點(diǎn)在偵測(cè)階段確認(rèn)的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào),,按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)開(kāi)始逐個(gè)讀取位移量。沒(méi)有得到回復(fù)時(shí),,反復(fù)二次延時(shí)70 ms再次發(fā)送讀取命令,,若還沒(méi)有回復(fù)則工作指示燈熄滅,轉(zhuǎn)向下一個(gè)子節(jié)點(diǎn),;如果得到回復(fù),,則更新原先存儲(chǔ)在匯聚節(jié)點(diǎn)的該子節(jié)點(diǎn)信息并保存,計(jì)數(shù)器加一,,完成后向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取信息,,直到之前偵測(cè)得到所有節(jié)點(diǎn)全部詢問(wèn)到。當(dāng)進(jìn)人傳輸數(shù)據(jù)工作時(shí),,初始化USBUART功能模塊,,并打開(kāi)全局中斷。檢測(cè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),,發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)非空時(shí),,從讀取區(qū)讀取待發(fā)送的數(shù)據(jù),并檢測(cè)發(fā)送區(qū)是否空閑,,當(dāng)發(fā)送準(zhǔn)各完畢后,開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸,。匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程如圖9所示,。


 

圖9 匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程

  本系統(tǒng)充分利用CY8C24894可編程片上系統(tǒng)的高效性和低功耗性,并配合CyFi低功耗無(wú)線技術(shù)為靜載試驗(yàn)的采集工作服務(wù),。不僅滿足了靜載檢測(cè)的需求,,也使得虛擬檢測(cè)儀器的研究在無(wú)線化、小型化,、高效化,、低功耗、功能全面的方向有了新的設(shè)計(jì)思路,。

  經(jīng)實(shí)際測(cè)試,,匯聚節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸距離可達(dá)到⒛m,傳感器數(shù)據(jù)采集正常,,并且能在預(yù)設(shè)的監(jiān)控軟件中實(shí)時(shí)顯示,。測(cè)試表明系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好,、集成度高、功耗水平低等特點(diǎn),,具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景,。


 

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