基于數據采集卡的無纜靜力觸探數據采集系統的研究與設計

馮偉，李同錄，邢鮮麗

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710054）

基于數據采集卡的無纜靜力觸探數據采集系統的研究與設計

馮偉1，李同錄2，邢鮮麗2

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西西安 710054;2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安 710054）

通過對傳統的靜力觸探數據采集系統進行改進，介紹了利用數據采集卡采集靜力觸探的壓力數據，利用地上數據采集儀采集靜力觸探深度數據，數據采集過程中均運用時鐘信息進行時間先后順序和數據的同步匹配，通過數據存儲模塊可將數據存儲下來，也可串行傳輸后把壓力和深度數據通過液晶模塊顯示出來，最后將數據傳入上位機管理系統中進行數據的綜合處理，并將最終觸探曲線顯示出來。整個過程具有無纜化、采集精度高、集成度高、存儲量大、經濟便捷等特點，最后通過現場試驗驗證了改造后的靜力觸探數據采集系統的適用性。

靜力觸探;無纜化;時鐘同步;數據采集卡

0 前言

靜力觸探作為土體原位測試技術的一種，它能夠在不擾動原始土層的情況下，提供土層和土力學參數，其快速、準確的優勢被國內外廣泛應用［1～3］。

目前國內現有的靜力觸探設備主要通過電纜線把采集到的壓力信號傳輸到上位機中處理分析，在使用中存在很多不便［4，5］。首先，線纜長度隨觸探深度增加而增長，且探桿用線纜串聯起來，造成加接探桿過程的困難，線纜也容易受損;其次，線纜長度的增加會導致探頭傳感器向上位機傳輸的信號產生額外的衰減，使上位機接收到的壓力信號不能真實反映探頭的實際工作情況。國內外也有少數廠家研制出了無纜全自動靜力觸探系統，主要通過無線電和光傳送探頭壓力信號［6］。但因地下環境的復雜和金屬探桿的信號屏蔽使得探頭壓力信號很難保證高質量的傳輸到地面，而且無線傳輸系統成本較高，國內很少使用。為了避免這些缺點，我們對傳統的靜力觸探數據采集系統進行改進，設計出基于數據采集卡的無纜靜力觸探數據采集系統［7，8］。

1 系統原理

1.1 系統構成

整個數據采集系統由地下壓力數據采集卡、地上綜合數據采集系統和上位機管理系統3大系統構成，并通過串行通訊模塊交換數據［9］。

如圖1所示，微控制器一為內部集成有A/D轉換單元的單片機STC12C5A60S2;模擬信號調理模塊由與靜力觸探探頭相接的射級跟隨電路、濾波電路和放大電路構成，濾波電路與微控制器一相接;數據存儲模塊一和數據存儲模塊二均為EEPROM存儲器;微控制器二為單片機STC89C52RC;操作按鍵模塊包括用于對液晶顯示模塊的背光顯示方式進行選擇的背光按鍵和用于對液晶顯示模塊上所顯示內容進行選擇的上按鍵、下按鍵、左按鍵和右按鍵，以及確定按鍵和返回按鍵。觸探頭為靜力觸探雙橋探頭，光電編碼器設置在探桿的頂端。

圖1 無纜式靜力觸探數據采集系統設備連接框圖

1.2 系統原理

整個無纜靜力觸探采集和處理系統之間的信號數據傳輸都依靠串行通訊［10］，其原理方法如下。

(1）模擬信號調理模塊對靜力觸探探頭所輸出的壓力信號依次進行射級跟隨、放大和濾波處理后輸出給微控制器一;微控制器一定時采集壓力信號并進行A/D轉換，同時讀取同步時鐘模塊一所輸出的同步時間。

(2）微控制器二定時采集光電編碼器所輸出的探桿深度信號，同時，讀取同步時鐘模塊二所輸出的同步時間并將同步時間和探桿深度信號以特定的格式存儲在數據存儲模塊二中，并將其同步時間和探桿深度信號實時顯示在液晶顯示模塊上。

微控制器二通過串行數據通信將地下壓力數據采集卡中的同步時間和壓力信號存儲在數據存儲模塊二中，并同時將同步時間、壓力信號實時顯示在液晶顯示模塊上。

壓力數據與深度數據采集速度均為1次/s。

(3）地上綜合數據采集系統將微控制器二所存儲的同步時間、壓力信號和探桿深度信號串行傳輸至上位機中，上位機調用數據處理模塊對所接收到的信號數據進行綜合分析處理，并獲得錐尖和錐壁阻力與探桿深度的對應曲線，同時調用數據顯示模塊對分析處理得出的對應曲線進行同步顯示。

無纜式靜力觸探數據采集處理方法流程為:地下壓力數據采集卡對靜力觸探探頭初始檢測值的信號實時采集與處理→地上綜合數據采集儀對探桿深度信號及地下壓力觸探數據采集卡所輸出信號進行實時采集、處理及顯示→數據上傳→靜力觸探數據處理與顯示。

2 采集卡的設計

地下壓力數據采集卡是無纜式采集處理靜力觸探探頭壓力信號的第一步，其采集處理后的信號質量對上位機處理信號的效果起著決定性的影響［11］，因此采集卡是整個數據采集系統的核心部件。

系統由硬件和軟件組成，要讓采集卡實現靜力觸探數據的無纜式采集主要需解決的關鍵技術有:系統可靠、長時間穩定供電;微弱電壓信號的調理與放大;采集的大量數據有序存儲［12］。

2.1 采集卡的硬件設計

系統框圖如圖1所示，其中模擬信號調理模塊中射級跟隨器電路和低通濾波選用LM224芯片，為四運放集成電路，電路功耗很小，工作電壓范圍寬，經示波器觀測濾波截止頻率取1 kHz;差分放大電路選用高精度模擬運算放大器AD620，作為儀用放大器，具有精確放大功能，可以分辨出極微弱的信號，最小可達50 μV，且最大工作電流僅為1.3 mA。它將探頭壓力傳感器產生的毫伏級微弱信號精確放大，再將信號輸入微控制器內進行A/D轉換，調理電路如圖2所示。

微控制器為8位主控CPU STC12C5A60S2，工作電壓5 V，功耗低，性價比高，程序存儲空間達60 KB，提供2路串行通信接口，高速的8路10位A/ D，且兼容傳統控制器指令系統。

同步時鐘模塊采用時鐘芯片DS1302，可生成年月日時分秒，提供了2種供電方式，可自動完成電路板電源和外界電源切換，功耗低。同步信息既可采用時分秒，也可以采用完整的時間信息，可靈活選用。

數據存儲模塊采用芯片AT24C256，采集卡存儲的數據有2類:一類是壓力數據，即電壓值(毫伏級）;另一類是時間數據(時、分、秒）。每2次電壓值的差應在某一范圍之外;一次存取的數據量為:壓力值4字節(錐尖和側壁傳感器每路2字節）+時間(時分秒各一字節）共3字節=7字節，按每秒采集2個電壓信號預算，32 Kbyte(256Kbit EEPROM）可存4681個采集的數據幀，即不間斷采集4681/ 7200=0.6 h所得的數據。

圖2 模擬信號調理電路圖

串行通訊選用MAX3232作為RS232收發器，它適用于近距離傳輸，工作電壓3.0～5.5 V，功耗低。

電源模塊選用大容量5 V方塊電池供電，容量4800 mAh，使用循環壽命較長。微控制器及外圍電路如圖3所示。

圖3 微控制器及外圍電路圖

2.2 采集卡的軟件設計

本采集卡系統軟件采用結構化的程序設計方法來實現［13］，根據高精度壓力數據采集系統的功能要求，軟件設計需要注意以下2點:

(1）為更精確的了解探頭傳感器受到的阻力變化，壓力數據的采集時間間隔設為1 s，即同步時鐘周期為1 s。

(2）微控制器根據一定的判斷依據判斷A/D轉換后的數據是否有必要存儲，如果確定存儲，則先存儲同步時間，然后存儲錐尖阻力信號和錐壁摩阻力信號。其判斷依據為:

①當錐尖阻力信號數據和錐壁摩阻力信號數據為0時，不存儲。

②當連續出現相同或相近的錐尖阻力信號數據或錐壁摩阻力信號數據時，對應只存儲2次。這種方式是基于靜力觸探探頭電壓信號變化的連續性［14］，即信號不會發生突變，好處是減少了冗余數據［15］。而且，上位機管理系統還可以還原出未存儲的數據，確保了信息的完整性［16］。

圖4 地下采集卡軟件系統流程圖

圖4是采集卡系統軟件流程圖。力數字信號即可存儲在采集卡中。

試驗結束后拔起探桿，將采集卡取出后和地上綜合數據采集系統串行連接，此時通過液晶顯示模塊可查看壓力和深度數據和各自對應的同步時間，即可檢查試驗數據的適用性，排查異常數據，也可以在上位機管理系統中查看靜力觸探成果曲線。

3.2 試驗成果檢驗

經過以上試驗操作過程，將上位機中的靜力觸探成果數據和曲線輸入到電腦中，其曲線為阻力值相對于觸探深度的曲線，結合各靜探孔周圍的鉆孔取樣分層資料，各單孔靜力觸探成果曲線及其相應鉆孔土層劃分如圖6所示。

3 現場試驗

將改造后的靜力觸探儀在西安市某場地進行了現場試驗，在2個鉆孔旁邊各布置一個靜探孔，每孔深度為20.00 m，以便和鉆探取樣成果進行對比，檢驗所設計的靜力觸探數據采集系統的適用性。

3.1 試驗操作

將靜力觸探儀的上位機和雙橋探頭傳感器進行校準檢定，把地下壓力數據采集卡和探頭通過連線對接，并將其置于探頭外接探桿內，如圖5所示。按照《靜力觸探技術標準》(CECS 04∶88）［17］的試驗步驟進行操作，由于進行無纜自動采集，只需人工加接探桿，貫入到預定深度，錐尖和錐壁阻力產生的壓

圖5 靜力觸探數據采集系統實物圖

圖6 靜力觸探試驗成果曲線及其相應土層劃分圖

由圖6左側的靜力觸探曲線可以看出，曲線連續分布，即場地內各土層連續分布，無土層尖滅現象。有的曲線部分出現突變極值，分析其原因，是土層當中出現了鈣質結核或堅硬物質，干擾了觸探曲線。

圖6右側的土層劃分是根據附近的鉆孔經過取樣及做室內試驗得到的，可以看出，靜力觸探的曲線變化和鉆孔分層結果的吻合程度很高。說明改造后的靜力觸探儀采集的現場數據可以真實反映地層的變化，結合鉆孔連成的地層剖面可以很好的為工程應用服務，驗證了本設計改造后的靜力觸探儀符合靜力觸探的技術要求。

4 結論

本系統對傳統的有纜靜力觸探系統進行改造，利用數據采集卡進行靜力觸探原始信號的采集并串行傳輸，實現了無纜化的采集過程，原理上切實可行。其降低了試驗過程中人工操作的難度，節省時間，相對無線傳輸的采集方式而言成本低廉，更好的保證了采集信號的質量和精確度。實地試驗證明所設計的靜力觸探采集系統可靠、實用，有推廣前景，但還不能實時顯示試驗數據，不可能隨時了解到探頭下探的實際情況，由于還沒有找到好的無線方案能減小金屬管筒的屏蔽效應，無線傳輸率很低且代價昂貴，還需進一步的研究和嘗試。

［1］張魯斌，徐萍.靜力觸探試驗在工程勘察中的應用［J］.資源環境與工程，2008，22(1）:73－76.

［2］GB 50021－2001，巖土工程勘察規范［S］.

［3］SL 237－1999，土工試驗規程［S］.

［4］王鍾琦.靜力觸探技術的實質及其應用現狀與前景［J］.工程勘察，2008，(10）:1－3.

［5］徐升.淺談靜力觸探及其發展狀況［J］.今日南國，2009，(7）: 214－216.

［6］黃興鵲.靜力觸探試驗新技術［Z］.北京:歐美大地儀器設備中國有限公司，2008:1－3.

［7］張翔.基于數據采集卡的靜力觸探數據采集系統的研究［J］.城市勘測，2004，(2）:1－4.

［8］顧寶和.《巖土工程勘察規范》中的靜力觸探問題［J］.工程勘察，2008，(10）:4－5.

［9］袁聚云，徐超，趙春風，等.土工試驗與原位測試［M］.上海:同濟大學出版社，2004.220－266.

［10］馬振超.靜力觸探試驗在工程勘察中的應用［J］.民營科技，2009，(4）:177－178.

［11］董曉馬，楊廣軍.靜力觸探技術發展及研究動向［J］.西部探礦工程，2008，(9）:12－14.

［12］Abu-Hassanein，Z.S.Use of electrical resistivity measurement asa quality control tool for compacted clay liners［D］.Master-Thesis，Dept.of Civil and Environmental Engineering，University of Wisconsin-Madison，1994.

［13］M.Fukue，T.Minato，H.Horibe，N.Taya.The micro-structuresof clay given by resistivity measurements［J］.Engineering-Geology，1999，(54）:43－53.

［14］梁貿源，王忠，薛曉娜.車速傳感器和壓電陀螺儀數據采集系統的設計［J］.中國測量技術，2008，34(3）:84－86.

［15］Sadek，M.S.A comparative study of the electrical and hydraulicconductivities of compacted clays［D］.Ph.D.Thesis，Dept.of Civil Engineering，University of California at Berkeley，1993.

［16］張耀峰.基于人工神經網絡溫度補償的壓力傳感器的無線數據采集系統［D］.天津:河北工業大學，2007.

［17］CECS 04∶88，靜力觸探技術標準［S］.

Study and Design of Wire-less Cone Penetration Test Data Acquisition System Based on Data Acquisition Card

FENG Wei1，LI Tong-lu2，XING Xian-li2(1.China Coal Xi’an Design Engineering Co.，Ltd.，Xi’an Shaanxi 710054，China;2.School of Geology Engineering and Geometrics，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710054，China）

By the improvement on the traditional CPT data acquisition system，the paper introduced the collection of CPT pressure data using data acquisition card.The ground data acquisition instrument is used to collect the range data and the process of data collection is carried out with clock information to match in time sequence and data.The data can be stored with the data storage module and also can be displayed through the liquid crystal display module after the serial transmission.After integrated processing，the data were put into the host computer management system and the final data curve of CPT can be displayed.There are many characteristics in the whole process，such as wire-less，high precision of acquisition，high integration，large storage and being economic and convenient.The improved CPT data acquisition system is verified applicability through field experiments at last.

CPT;wire-less;clock synchronization;data acquisition card

TU415

:A

:1672－7428(2012）10－0045－05

2012－04－16;

2012－09－11

馮偉(1983－），男(漢族），山東莘縣人，中煤西安設計工程有限責任公司助理工程師，巖土工程專業，碩士，從事巖土工程專業工作，陜西省西安市雁塔路北段66號，123615142@qq.com。