??? 摘? 要: 設(shè)計(jì)了基于USB2.0的樁基動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)" title="檢測系統(tǒng)">檢測系統(tǒng),并重點(diǎn)研究了數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。此系統(tǒng)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率高、使用方便等特點(diǎn)。

??? 關(guān)鍵詞: USB2.0;? 動(dòng)態(tài)檢測;? 數(shù)據(jù)采集

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??? 目前,我國工程建設(shè)發(fā)展迅速,樁基工程已得到了全面的應(yīng)用,在高層建筑、港口碼頭、道路橋梁等工程中都大量采用樁基。然而在樁基工程實(shí)施過程中,由于其隱蔽性,若產(chǎn)生質(zhì)量問題,其整改、加固補(bǔ)強(qiáng)的難度都非常大。樁基存在缺陷將嚴(yán)重影響建筑物的安全性和耐久性,因此對(duì)樁基檢測系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有重要而深遠(yuǎn)的意義。樁基檢測的諸多方法中,反射波檢測法具有檢測速度快、反應(yīng)直觀、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已成為檢測樁身完整性的首選方法。該方法以棒撞擊樁頂,產(chǎn)生一縱向應(yīng)力波信號(hào)沿樁身傳遞,由加速度計(jì)(或速度計(jì))拾取樁身缺陷處引起的反射波,由此判定樁身完整性,并由波速判斷混凝土質(zhì)量。該方法檢測設(shè)備簡單,具有快速、無損等優(yōu)點(diǎn)^[1]。在檢測過程中,數(shù)據(jù)采集是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié),數(shù)據(jù)采集技術(shù)是衡量檢測系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一。本文提出了一種基于反射波法的通過USB2.0采集數(shù)據(jù)的樁基檢測系統(tǒng)方案。

1? USB總線結(jié)構(gòu)和通信原理簡介

1.1 USB總線的特點(diǎn)^[2]

??? USB總線具有如下特點(diǎn):①支持熱插拔,即插即用。②共享式接口。通過USB集線器,一個(gè)USB主控制器上最多可以連接126個(gè)外設(shè)。③靈活的傳輸速度和傳輸方式。USB支持3種類型的傳輸速度:1.5Mb/s的低速傳輸、12Mb/s的全速傳輸和480Mb/s的高速傳輸,以及4種傳輸類型:塊傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。④節(jié)省系統(tǒng)資源。USB系統(tǒng)中,USB主控制器只需使用一根IRQ線和一些I/O地址空間。⑤性能可靠。USB系統(tǒng)通過規(guī)范的硬件設(shè)計(jì)和USB協(xié)議中的完善的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測機(jī)制來確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地發(fā)送和接收。⑥兼容性好,成本低。

1.2 USB通信協(xié)議的工作原理

??? USB系統(tǒng)就是指USB設(shè)備到主機(jī)的連接,這種連接可被分為3個(gè)邏輯層:功能層、USB設(shè)備層、USB總線接口層,且每一層都由主機(jī)和USB設(shè)備的不同功能模塊組成。在功能層,客戶軟件通過一組管道與USB設(shè)備的功能單元進(jìn)行通信;在USB設(shè)備層,USB系統(tǒng)軟件" title="系統(tǒng)軟件">系統(tǒng)軟件和USB邏輯設(shè)備間的通信是通過缺省控制管道0實(shí)現(xiàn)的;在USB總線接口層,所有實(shí)際的USB數(shù)據(jù)傳輸都由主機(jī)和USB設(shè)備的SIE(Serial Interface Engines)來完成。

??? 客戶軟件不能直接訪問USB設(shè)備,它必須通過USB系統(tǒng)軟件和USB總線接口模塊才能實(shí)現(xiàn)。USB系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)與USB邏輯設(shè)備進(jìn)行配置通信,并管理客戶軟件啟動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。USB總線接口包括主控制器和根集線器。根集線器為USB系統(tǒng)提供連接起點(diǎn),主控制器負(fù)責(zé)完成主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸。

2 基于USB2.0的樁基檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

??? 檢測系統(tǒng)需要具備把反射波實(shí)時(shí)采集、顯示且進(jìn)行處理分析的功能,功能模塊可劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)處理等幾部分。結(jié)合配備的傳感器,共同完成反射波法檢測樁的完整性的分析^[3]。樁基檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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????檢測系統(tǒng)的信號(hào)輸入有四個(gè)接口,分別為加速度傳感器1、加速度傳感器2、力傳感器1、力傳感器2,它們通過模擬低通濾波器濾掉干擾信號(hào)。濾波后通過模擬多路選擇器選擇一路信號(hào)進(jìn)入16位ADC轉(zhuǎn)換器,在控制單元的控制下,通過采樣保持、數(shù)模轉(zhuǎn)換,對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步存儲(chǔ)。圖2給出了數(shù)據(jù)采集部分結(jié)構(gòu)框圖。

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3 基于USB2.0的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡述

??? 該樁基檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換、FPGA邏輯電路、USB2.0傳輸控制模塊和計(jì)算機(jī)構(gòu)成,框圖如圖3所示^[4]。工作流程為:先通過A/D轉(zhuǎn)換芯片把外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào),然后再把數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紽PGA可編程邏輯門陣列芯片,進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的緩沖變頻處理,再通過USB2.0控制傳輸芯片把處理過的數(shù)字信號(hào)用USB2.0協(xié)議傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。另外,還增加一個(gè)51單片機(jī)芯片,用來控制FPGA可編程邏輯門陣列芯片與USB2.0傳輸?shù)墓ぷ髑闆r和工作狀態(tài)。本系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的主要功能有: (1)具有全速塊傳輸和全速同步傳輸兩種傳輸方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集; (2)具有模數(shù)轉(zhuǎn)化顯示功能,實(shí)時(shí)顯示所采集到的波形,并可進(jìn)行保存和回放; (3)系統(tǒng)的采樣頻率可調(diào)。

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4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

4.1? 系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)與主要芯片簡介

??? 系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)輸入模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA信號(hào)處理模塊、USB2.0傳輸模塊、USB2.0輸出接口模塊和PC機(jī)組成^[4]。圖4為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD7980;FPGA可編程邏輯門陣列芯片采用MAX系列的EPM7128SQC100-15;USB2.0控制芯片采用EZ-USBFX2;單片機(jī)芯片采用51系列的AT89S52。

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4.1.1 USB2.0傳輸模塊

??? USB2.0傳輸模塊實(shí)現(xiàn)把FPGA電路處理好的數(shù)據(jù)高速傳送到計(jì)算機(jī),為此采用基于USB2.0控制芯片的傳輸模塊來完成高速數(shù)據(jù)傳輸,USB2.0協(xié)議支持以下3種速度模式:低速模式1.5Mb/s,全速模式12Mb/s,高速模式480Mb/s,其高速模式可滿足高速采集、存儲(chǔ)和處理的要求。采用CYPRESS公司的EZ-USBFX2系列USB2.0控制芯片。EZ-USBFX2芯片包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎(SIE)、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB的FIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口(GPIF)。FX2是一個(gè)全面集成的解決方案,它占用更少的電路板空間,并縮短開發(fā)時(shí)間。EZ-USBFX2擁有獨(dú)特的架構(gòu),其中包括1個(gè)智能串行接口引攀(SIE)。它執(zhí)行所有基本的USB功能,將嵌入式MCU解放出來以實(shí)現(xiàn)專用的功能,并保證其持續(xù)的高傳輸速率。FX2還包括2個(gè)通用可編程接口(GPIF),允許它“無膠粘接”,即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接,并且它還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn),包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。

4.1.2 AD7980芯片

??? AD7980芯片是美國AD公司新推出的一款16位逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換芯片,在滿足下一代便攜式平臺(tái)的尺寸和功耗要求的同時(shí),達(dá)到了高精度應(yīng)用所需的性能水平。AD7980在1Ms/s采樣速率時(shí)功耗的典型值為7.5mW,其每次轉(zhuǎn)換消耗的功耗比原來的器件減小80%,因此能夠有效延長便攜式設(shè)備的電池壽命。該芯片采用3mm×3mm的LFCSP封裝,可提供3mm×5mm的MSOP封裝。AD7980具有真正16bit分辨率、±2LSB積分線性誤差(INL)精度以及91.25dB信噪比(在1Ms/s采樣率時(shí)),使其能夠達(dá)到無與倫比的性能水平。其他特性包括多芯片菊花鏈連接能力、忙狀態(tài)指示以及使用單獨(dú)電源VIO供電與1.8V、2.5V、3.3V和5V邏輯電源兼容。AD7980與低速16bit和18bit系列產(chǎn)品引腳兼容,從而在對(duì)制造商影響最小的情況下能夠靈活地改變系統(tǒng)性能。

4.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

??? 系統(tǒng)軟件可分為3大部分:采用KeilC51語言編寫的EZ-USBFX2芯片固件程序、采用VisualC++語言編寫的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和Win32應(yīng)用程序。

4.2.1 固件程序設(shè)計(jì)

??? EZ-USBFX2的固件程序可分為主程序、中斷服務(wù)程序和請(qǐng)求處理程序3部分。其中,主程序的主體部分是個(gè)無限循環(huán),用來循環(huán)查詢一些標(biāo)志,如請(qǐng)求處理、需要填充數(shù)據(jù)等標(biāo)志,一旦標(biāo)志有效就進(jìn)人相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。中斷服務(wù)程序用來處理EZ-USBFX2產(chǎn)生的硬件中斷,同時(shí),根據(jù)中斷的不同將不同的標(biāo)志置位或清除。請(qǐng)求處理程序負(fù)責(zé)完成枚舉階段收到的標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求以及在正常工作階段收到的廠商請(qǐng)求等。

4.2.2? USB2.0設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

??? 為了配合本系統(tǒng)EZ-USBFX2的固件程序,還需要編寫一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,以使WIN32應(yīng)用程序能夠正確訪問下位機(jī)USB2.0設(shè)備。它包含了WDM驅(qū)動(dòng)程序所需要的入口例程" title="例程">例程、即插即用例程、分發(fā)例程、電源管理例程和卸載例程,并且在分發(fā)例程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)供應(yīng)商自定義請(qǐng)求的處理。

4.2.3? Win32應(yīng)用程序

??? 本系統(tǒng)的Win32應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)測試系統(tǒng)的工作狀態(tài),讀取系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)采集卡所采集的數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)顯示波形。

??? 由于本系統(tǒng)采用基于USB2.0的傳輸方式,很好地滿足了實(shí)時(shí)性和高速性的實(shí)際要求。而USB接口擁有很好的兼容性和低廉的成本,因此將會(huì)在樁基動(dòng)態(tài)檢測的實(shí)時(shí)信息采集中獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2]?王成儒,李英偉.USB2.0原理與工程開發(fā)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[3] 蔣新勝,李華兵,馬光彥,等.基于USB接口的樁基無損檢測系統(tǒng)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,3(3):67-70.

[4] 王輝麟,賈利民,蔣秋華.基于USB2.0高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005,14(8):