基于MPU6050的高精度鉆孔應力計安裝桿設計

朱凱 張艷東

（濟寧礦業集團有限公司安居煤礦 山東省濟寧市 272100）

鉆孔應力計是監測礦井巷道巖壁應力大小的測量儀器[1]。在礦井生產過程中，原巖體受力平衡狀態被打破，采動應力重新分布，易產生冒頂、片幫等沖擊地壓重大安全隱患[2,3]，為實時準確的掌握采動應力場分布情況，企業通常需要安裝多個鉆孔應力計綜合分析巖體應力。

鉆孔應力計主要有2 種類型，應變片式礦用應力計和膨脹枕式礦用應力計。從測量原理看，應變片式礦用應力計測量的應力數據為垂直于電阻應變片方向的力，膨脹枕式礦用應力計測量的應力數據為垂直于油枕方向的力，這兩種應力計測量與其主要受力部件垂直方向的應力大小，受地質構造和應力計特點的影響，計算得到應力數據往往存在較大誤差[4]。因此，在安裝應力計時存在以下幾點要求：

（1）將應力計垂直應力方向放置于巖體內，能提高應力值獲取的精度。

（2）應力計安裝過程中應能前后移動、左右旋轉，安裝完成后可將安裝桿抽出。

（3）應力計安裝過程中應能實時了解應力計傾角。

為提高測量準確性，有見一種解決方案，即在應變片式礦用應力計中嵌入三軸加速度傳感器，以得到應力計在煤柱中的傾角[5]。其不足之處在于加速度計算傾角需進行積分運算，在調整應力計傾角時，受人為旋轉速度的影響，易產生積分誤差，并且每個應變片式應力計均帶有三軸加速度傳感器，其制作工藝復雜，增加了制造成本。

針對以上問題，本文介紹一款通用型高精度礦用應力計安裝桿，該安裝桿由應力計連接頭、延長桿和手持顯示器組成，其中應力計連接頭中內嵌姿態傳感器，通過CAN 總線與手持顯示器通信，在手持顯示器上實時顯示應力計姿態，從而實現應力計精準安裝。

1 礦用應力計安裝桿總體設計

通過對礦用應力計安裝要求分析與方案比較，設計了如圖1所示的應力計安裝桿總體結構。

圖1：應力計安裝桿系統框圖

該結構以姿態傳感器為核心，將姿態傳感器固定于應力計連接頭中，應力計連接頭與應力計實現緊密配合，之間不產生相對轉動，保證傳感器與應力計姿態一致，姿態數據通過總線實時傳輸至手持顯示器顯示，操作簡單，安裝人員可根據需要調整安裝角度，確保了安裝質量。

2 應力計安裝桿硬件設計

根據應力計安裝桿功能需求，設計了其硬件框圖，如圖2所示。

圖2：應力計安裝桿硬件框圖

2.1 應力計連接頭結構設計

為滿足安裝要求，設計了一種兩次旋進式應力計連接頭結構，如圖3所示。

圖3：應力計連接頭結構圖

連接頭內部為方形漸縮孔，經插入‐旋轉‐再插入的方法，與應力計尾部連接桿緊密配合，保證連接頭與應力計之間無相對轉動，并且在巖壁鉆孔內能夠自由推拉，而不至應力計脫離該連接頭，在安裝完成后經拉出‐反向旋轉‐再拉出的方法將安裝桿取出。另外，姿態傳感器固定于應力計連接頭的凹槽中，用冷補膠密封，使得姿態傳感器、應力計連接頭、應力計三者旋轉角始終保持一致。

2.2 姿態傳感器模塊硬件設計

姿態傳感器模塊以MPU6050 陀螺儀傳感器為核心，搭載高效阻容濾波電路，有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內置MM32L051 單片機，用于分析、篩選、打包、發送姿態數據。原理圖如圖4所示。

圖4：姿態傳感器模塊原理圖

MPU6050傳感器是一個將3軸陀螺儀，3軸加速度計和DMP（數字運動處理）封裝在一個4×4×0.9mm 的小型封裝中，姿態數據以每幀11Byte（2 Byte 幀頭+8 Byte 數據+1 Byte 校驗）經400kHz 的I2C總線與設備寄存器進行通信的姿態傳感器，具有小尺寸，低功耗，高精度、高耐震性等特點，適用于在狹小空間采集姿態數據[6]。

要實現精準安裝，關鍵在于建立姿態傳感器與手持顯示器間的通信。I2C 總線傳輸距離短，常用于板內通信，而應力計安裝深度達20 米，顯然I2C 總線無法滿足設計需求，另外常用通信方式有RS485、CAN 總線等，RS485 是一種主從式的單字節通信標準，使用靈活，接收數據后需要設計軟件進行數據的檢查、解析、分類和使用[7]。而CAN 總線是以數據幀方式進行通信，具備硬件錯誤檢測、過濾等功能，每幀最多可發送8 字節數據，比RS485 通信效率高，CAN 總線非常適用于可靠性高、傳輸短信息的工業控制系統[8]。所以，本文采用CAN 總線實現姿態傳感器與手持顯示器間的通信。

為此，在模塊中嵌入MM32L051 微型單片機，以滿足I2C 總線數據與CAN 總線數據之間的轉換。在I2C 總線上需連接兩個上拉電阻以穩定信號，INT 引腳為姿態數據中斷引腳，用以通知單片機接收數據。MM32L051 單片機收到姿態數據后以CAN 消息格式打包發送至CAN 收發芯片（HVD230），最終由CAN 收發芯片發送至CAN 總線上。

2.3 手持顯示器硬件設計

手持顯示器硬件原理圖如圖5所示。

圖5：手持顯示器硬件原理圖

2.3.1 嵌入式處理器

一個可實現CAN通訊、姿態解算、LCD顯示功能的手持顯示器，其性能與所采用的微處理器密切相關。為同時兼顧需求與成本，本文選用了一款集CAN、SPI、FPU（Floating Point Unit,浮點運算單元）的國產ARM Cortex‐M 內核APM32F103CBT6 微處理芯片作為手持顯示器的處理器[9]。

APM32F103CBT6 最小系統包括低電平阻容復位電路；外部16M 晶振，通過內部鎖相環電路倍頻至96MHz，再經分頻后供給各外設使用；下拉BOOT0、BOOT1 引腳至低電平，使處理器從內部Flash 啟動；對系統的調試與仿真，采用兩線制串行SWD 接口[10]。

2.3.2 電源電路

手持顯示器需要3.3V 電源，使用三節5 號干電池串聯后作為基本電源，然后利用低壓差線性穩壓器TPS76933/0.2A 轉化得到所需電源。

2.3.3 CAN 通信設計

外部的CAN 收發芯片型號與姿態傳感器模塊CAN 收發芯片相同，由3.3V 供電，芯片的 CAN 發送(D)、CAN 接收(R)分別連接APM32F103CBT6 處理器的CAN_TX、CAN_RX 引腳，CAN 收發芯片的CAN_H 和CAN_L 之間接入120Ω 終端電阻，用于消除信號反射對總線通訊的影響，然后再將CAN_H 和CAN_L 連接到安裝桿CAN 總線上，以實現最高1Mbit/s 的通訊速率[11]。

2.3.4 顯示模塊

LCD 顯示部分采用2.8 英寸TFT 彩色屏，分辨率240*320，通過SPI 接口實現LCD 顯示連接，其功耗不大于0.22w，PA2 為按鍵功能引腳，通知CPU 點亮或關閉顯示屏，在本設計中，主要顯示采集到的角度數據并以動畫形式顯示應力計姿態。

3 軟件設計

應力計安裝桿主要任務是精準安裝應力計，由姿態傳感器采集姿態數據，緊接著將數據交給單片機處理后發送至CAN 總線上，手持顯示器實時接收CAN 總線數據，在LCD 上用動畫的形式形象的展現應力計當前姿態，以及時調整應力計傾角，正確安裝應力計。所以，該系統軟件主要包括兩部分，分別為姿態傳感器模塊軟件設計和手持顯示器軟件設計。

3.1 姿態傳感器模塊軟件設計

姿態傳感器模塊需要完成4 大任務，分別為接收姿態數據、分析姿態數據、篩選姿態數據、發送姿態數據，軟件流程如圖6。

圖6：姿態傳感器模塊軟件流程

MPU6050 實時測量當前姿態，以9600bps 速率向I2C 總線發送姿態數據，當MM32L051 收到由MPU6050 的INT 引腳發出的中斷信號時，立即接收數據，并暫存于臨時數組中。當收到數據幀尾時，對該段數據進行校驗，檢查數據的完整性，繼而打包發送到CAN 總線上。

3.2 手持顯示器軟件設計

應力計姿態變化是一個動態的過程，因此，手持顯示器需具備實時性，為滿足這一要求，主控制器必須時刻處于接收數據狀態。考慮以上因素，宜采用中斷服務函數接收數據，軟件流程見圖7。

圖7：手持顯示器軟件流程

手持顯示器工作時，CAN 接收中斷函數中斷接收姿態數據，按順序依次存入can_buf[][]數據緩沖區，并將姿態數據計數值加1。軟件主循環實時檢測姿態數據計數值，當計數值大于1 時，讀取數據，加載到FPU 快速計算姿態，同時將姿態數據計數值減1，最終在LCD 上顯示姿態動畫。

4 結語

基于MPU6050的高精度礦用應力計安裝桿整體效果如圖8所示，進行了實地測試并應用，達到了預期效果，井巷應力數據的準確性大大提升，通過實際應用證明，這種礦用應力計安裝桿的設計方案是切實可行的。

圖8：應力計安裝桿實物