砂土強度變化測試控制系統設計與實現

李軍

摘 ?要： 傳統檢測方法不能根據不同地質情況、砂土強度的具體變化趨勢快速完成系統串行通信接口選擇。為了解決此問題，設計砂土強度變化測試控制系統。通過系統集成框圖設計、測試臺結構設計、采集控制器設計，完成砂土強度變化測試控制系統硬件模塊設計。通過軟件框架設計、開發流程設計、串行程序設計，完成砂土強度變化測試控制系統軟件模塊設計。模擬新型系統的工作環境，設計對比實驗。結果表明，在砂土強度由高轉低、由低轉高兩種情況下，系統串行通信接口選擇速度，都得到了明顯提升。

關鍵詞： 砂土強度; 變化測試; 系統集成; 采集控制器; 軟件架構; 開發流程; 串行程序

中圖分類號： TN64?34; TU441 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0035?04

Abstract： Since the traditional detection method cannot quickly complete the serial communication interface selection of the system according to the specific variation trend of sand soil strength in different geological conditions， a sand soil strength variation test and control system was designed. The hardware module design of the sand soil strength variation test and control system was accomplished by means of the design of block diagram of system integration， structure of test table， and acquisition controller. The software module design of the sand soil strength variation test and control system was accomplished by means of the design of software architecture， development process， and serial program. The contrast experiment was designed by simulating the working environment of the new system. The results show that the serial communication interface selection speed of the system has been significantly improved in both of the conditions when the sand soil strength changes from high to low， and from low to high.

Keywords： sand soil strength; variation test; system integration; acquisition controller; software architecture; development process; serial program

砂土強度由其自身的應力?應變關系屬性確定。當特征應力發生改變時，砂土破壞應力、屈服應力、峰值應力等物理條件發生改變。砂土強度可用高低程度來進行劃分，當砂土強度由高變低時，特征應力值下降，砂土種類也隨之改變[1]。當砂土強度由低變高時，特征應力值上升，砂土種類也隨之改變。在這種情況下，原有挖掘施工強度就顯得過于無力，若繼續保持，則容易造成挖掘設備的損壞。為了保證施工人員的人身安全，并節約施工成本，在對不同砂土地面進行施工前，完成砂土強度變化測試控制，就顯得極為有必要[2]。隨著工業技術手段的不斷發展，傳統檢測方法，逐漸顯露出系統串行通信接口選擇速率較低、施工進程過慢等弊端。為了提升砂土施工效率、縮減施工成本，設計一種新型砂土強度變化測試控制系統。

1 ?砂土強度變化測試控制系統硬件模塊設計

1.1 ?砂土強度變化測試控制系統集成框圖設計

砂土強度變化測試控制系統，以PCI總線作為核心結構，其兩側分別與中心計算機與外部砂土強度變化測試控制單元相連[3?4]。中心計算機主要包括I/O設備和兩個傳輸線橋，其中I/O設備是中心計算機的靈魂部件，兩個傳輸線橋作為兩級傳輸結構，都以PCI總線相連，但上級傳輸線橋還有一個分支，與次級計算機設備相連[5]。外部砂土強度變化測試控制單元，包括砂土強度總線通信卡、變化測試控制通信卡、電源控制結構、其他設備四部分結構。其中，電源控制結構中的電力資源由外部供電器提供。詳細結構框圖如圖1所示。

1.2 ?砂土強度變化測試臺結構設計

砂土強度變化測試臺結構，由中心計算機、砂土強度變化數據采集卡、測試控制信號調理電路、強度變化測試控制導引頭、轉化通信卡5部分組成。對于砂土強度變化測試臺結構來說，完成砂土強度變化數據采集，并將采集完成的數據，轉化成可傳輸的電信號，再將電信號通過導引頭傳輸至測試控制信號調理電路，為系統下一步工作提供條件[6?7]。詳細結構設計圖如圖2所示。

1.3 ?砂土強度變化采集控制器設計

砂土強度變化采集控制器，起始于初級測試控制結構，在此結構中，對采集器采集到的砂土強度變化參數，進行初級處理[8]。完成處理后的數據，進入強度采集器中，并完成數據的進一步模擬加工。強度采集器與驅動器間始終保持相互連通狀態，以保證數據可持續進行交流。從驅動器中傳輸出的砂土強度變化數據，具有一定的實際應用價值，這些數據進入采集控制器存儲平臺，并在此結構中長期保持待使用狀態，等待中心計算機發出調用命令。具體采集控制器連接示意圖如圖3所示。

2 ?砂土強度變化測試控制系統軟件模塊設計

在完成了砂土強度變化測試控制系統硬件設計后，為保證系統的順利運行，還需按照如下步驟，完成系統軟件模塊的搭建。

2.1 ?砂土強度變化測試控制系統軟件框架設計

砂土強度變化測試控制系統軟件架構由三部分組成。第一部分為砂土強度變化參數設計，包括待開發砂土區位置、預估砂土強度、測試控制器狀態等信息。第二部分為測試控制信號源參數設計，主要通過測試待開發砂土區的測試控制信號狀態，來完成系統參數的設置，該過程中設計的系統參數，包括系統延時、沙土硬度指數等[9?10]。第三部分為測試控制導引頭參數設計，該部分可完成對砂土強度變化測試控制的需求分析，并整理前兩部分的所有數據，傳輸至下一系統單元。具體軟件架構圖如圖4所示。

2.2 ?軟件串行程序設計

砂土強度變化測試控制系統軟件串行程序，可在串口間進行通信的同時，實現一根信號線的砂土強度數據即時傳輸。且數據與數據之間保持按位順序，一位接一位的進行有序傳輸，彼此之間不發生影響。按照數據發送方式，對軟件串行程序進行分類，包括同步強度數據傳送、異步強度數據傳送兩種，每種傳送方法的詳細要求及特點如表1所示。

3 ?實驗結果與分析

3.1 ?實驗參數設置

表2中參數名稱依次為砂土起始強度、砂土終止強度、預期串行接口選擇速度、測量控制系數、系統信息總量、傳輸連接系數。其中，砂土起始強度、砂土終止強度兩項參數，分別針對后續實驗的兩部分。為了保證實驗的公平性，實驗組與對照組參數均保持一致。

3.2 ?砂土強度由低轉高系統串行通信接口選擇速度

完成實驗參數設置，利用第一項砂土起始強度和砂土終止強度參數，在砂土強度由高轉低情況下，測量系統串行通信接口選擇速度。系統串行通信接口選擇速度大小，與MXP指標呈正比關系，當MXP指標逐漸增大時，系統串行通信接口選擇速度也隨之增大，反之則減小。具體測量結果如圖5、圖6所示。

分析圖5、圖6可知，實驗組MXP指標的最大值為8.45×10-4 T/s，系統串行通信接口選擇速度最大值為8.96×10-4 T/s，且二者最大值均出現在第30 s;對照組MXP指標的最大值為2.61×10-4 T/s，出現在第17 s，系統串行通信接口選擇速度最大值為2.96×10-4 T/s，出現在第24 s。所以，可證明應用砂土強度變化測試控制系統后，當砂土強度由高轉低時，系統串行通信接口選擇速度明顯提升。

4 ?結 ?語

砂土強度變化對土壤施工造成極大影響，通過應用新型砂土強度變化測試控制系統的方式，提升串行接口選擇速度，快速確定砂土強度的具體變化趨勢。

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