基于C8051F060的锚杆检测仪采集卡的设计

陈汉生 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023 油气资源与勘查技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100)

周永亮 (湖北江汉石油仪器仪表股份有限公司，湖北 武汉 430000)

佘 露 (深圳大学机电与控制工程学院，广东 深圳 518061)

基于C8051F060的锚杆检测仪采集卡的设计

陈汉生 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023 油气资源与勘查技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100)

周永亮 (湖北江汉石油仪器仪表股份有限公司，湖北 武汉 430000)

佘 露 (深圳大学机电与控制工程学院，广东 深圳 518061)

随着锚杆现场检测技术的发展，对便携式、小体积、数据处理量大的锚杆检测仪的需求越来越强烈，以前的基于串口通信的锚杆检测仪已经不能满足工程需求。设计了一种基于C8051F060的锚杆检测仪的采集卡，通过C8051F060自身集成的高速A/D进行数据采集，采集卡通过FIFO芯片IDT7204与S3C2410ARM芯片相连接，实现声频应力波信号数据的传输和处理，大大提高了数据处理效率。现场工程实践表明，该设计满足工程要求，具有很好的应用前景。

C8051F060；FIFO；A/D；ARM；数据传输

近年来，随着人工隧道和人工高边坡工程的大量涌现，锚杆锚固技术在矿藏开发、水电站、公路、铁路等工程施工中应用广泛，这些锚杆是否达到了工程设计的要求并对工程岩体是否起到锚固作用，被锚固的岩体是否处在稳定的运行状态之中等一系列的检测问题并没有得到很好的解决，因而锚杆锚固的质量检测问题也备受关注[1]。以往的通过串口进行数据传输、体积庞大的锚杆检测仪已经愈发暴露出它数据处理速度慢、数据量小、笨重等不足，对便携式、小体积、数据处理量大的锚杆检测仪的需求越来越强烈。为此，笔者讨论了一种全新的基于C8051F060的锚杆检测仪采集卡的设计方法。

1 锚杆检测仪工作原理

图1 锚杆质量检测工作示意图

图1为锚杆质量检测工作示意图。锚杆质量检测时，声频应力波沿着锚杆体传播并向锚杆周围辐射能量，在此过程中检测仪器检测到反射波信号，接收系统将反射回来的声波信号转换成电信号，通过高速A/D对数据信号进行采集，然后A/D将采集到的数据上传至ARM进行数据分析和处理[2]，从而确定锚杆的长度和灌浆的整体质量。

2 硬件设计

2.1锚杆检测仪系统框图

锚杆质量检测仪主要由发射系统、数据采集系统、数据处理系统和显示系统组成。发射系统接收来自ARM命令产生应力波信号，应力波信号在待测锚杆中反射回来后被数据采集系统捕捉，数据采集系统再将采集到的数据上传给数据处理系统分析处理，进而进行检测结果的显示。锚杆质量检测仪系统框图如图2所示。数据采集系统选用基于C8051F060单片机的采集卡， C8051F060是完全集成在混合信号片上系统型MCU，是美国Silabs公司生产的系统级芯片(SOC)，它具有与8051兼容的高速CIP-51内核, 指令系统与MCS-51指令集完全兼容， 具有4352(4K+256)字节的片内RAM，64Kb可在系统编程的FLASH存储器，5个通用的16位定时器等[3]。

图2 锚杆质量检测仪系统框图

基于C8051F060单片机的采集卡片内集成了2个1Mbps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型模数转换器ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。这2个ADC可以被配置为2个独立的单端方式ADC或组成一个差分对。本设计将ADC配置成单端方式，通过定时器3溢出启动转换，DMA(直接存贮器访问)接口和ADC协同工作，将ADC输出直接写入FIFO缓冲器中。

2.2采集卡信号调理电路设计

C8051F060采集卡A/D测量电压范围为0～+5V，而通过接收传感器转换的被测模拟电压范围是-2.5～+2.5V，为了将模拟电压转换成采集卡可以接受的范围内，笔者采取图3所示的信号调理电路。其中，采集卡信号调理电路分为2级：前一级主要是将LT1806CS8运算放大器用作减法器，在被测模拟电压的基础上减掉2.5V，使得被测电压范围转换成-5～0V；后面一级运算放大器用作反相器，将被测电压翻转，测量电压范围反相成0～5V，从而实现传感器检测电压范围达到采集卡A/D的电压要求。电容C43和C44主要起低通滤波和实现目标电压转换的作用。

图3 采集卡信号调理电路

2.3采集卡与ARM接口电路设计

图4 采集卡与ARM接口电路

C8051F060高速单片机片内有2个16位、可编程转换速率最大达到1Mbps的SAR ADC(ADC0和ADC1)，采集卡高速A/D通过FIFO在处理器与A/D转换器之间架一座桥梁，FIFO的先入先出特性可以方便缓存大量的数据块，解决了ARM处理器的数据接收能力与A/D芯片的工作速率不匹配的问题，避免了有效数据的丢失，提高了CPU的效率。系统数据传输采用“A/D转换器-缓存器-处理器”这种模式，缓存器采用FIFO芯片IDT7204,IDT7204具有12ns的高速数据访问、低功耗、异步同步读写、宽度深度扩展、重新发送等优点。处理器芯片采用Samsung公司的S3C2410处理器。S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18μm制造工艺的32位微控制器[4]。采集卡与ARM接口电路设计如图4所示。

C8051F060单片机A/D转换结果通过DMA方式往FIFO传数据，由于FIFO的先入先出结构,系统中不需要任何地址线的参与,大大简化了电路。FIFO芯片的全满标志位FF、空标志EF和半满标志HF分别与单片机的P2.0和S3C2410的外部中断EINT3和EINT4相连，实现FIFO读写时状态的控制。单片机和ARM控制FIFO写、读引脚通过74LS32或门控制FIFO的读写。数据传输时把P1.0引脚一直置低，A/D开始工作后，A/D将自己转换的数据送至自己的输出口D0～D7，当单片机执行一次写操作WE引脚来一个低脉冲，WE引脚低脉冲和P1.0通过74LS32或操作使FIFO的写信号使能，数据被写入FIFO，这样每执行一次写操作数据就被写入FIFO中，直至一次数据采集的完成。当IDT7204芯片的FF引脚置位时，表明FIFO芯片数据已经写满，此时通过P2.0引脚触发外部中断1[5]，停止向FIFO写数据，ARM读取FIFO中的数据采用同样的思想，在此就不再叙述。采集卡的P0脚与FIFO芯片的RS相连用以每次数据采集前复位FIFO，增加系统的稳定性。

3 软件设计

基于C8051F060采集卡的锚杆检测仪的软件设计主要包括采集卡数据采集、ARM上位机软件设计等，由于笔者主要介绍基于锚杆检测仪的采集卡设计，所以在此只介绍C8051F060采集卡数据采集部分的软件设计思路。

3.1主程序流程图

图5 主程序流程图 图6 AD数据采集流程图

C8051F060单片机首先进行系统初始化，然后通过判断接收到的ARM命令进行系统设置，当ARM发送的是数据采集命令时，启动数据采集，然后通过FIFO上传数据给ARM，具体过程如图5所示。系统初始化完成之后，ARM通过串口向采集卡发送命令，当采集卡通过接收到的数据检测到ARM发送的是采集命令时，根据接收到的数据进行采样率、采样长度参数的设置，启动A/D数据采集，A/D采集完成之后将数据写入FIFO，通过FIFO缓冲，ARM读取FIFO中的数据。

3.2A/D采集子程序流程图

基于C8051F060采集卡A/D数据采集软件设计思路主要就是通过判断接收到的ARM命令号，进行系统设置，当外部触发命令到来时启动A/D数据采集。A/D采集子程序流程图如图6所示。A/D数据采集时首先等待ARM发送命令，ARM通过串口向采集卡发送命令，当C8051F060单片机接收到ARM命令号是预先设定的命令号时进行采样率、采样长度的初始化设置，配置定时器T3中断启动A/D转换，DMA控制器进行初始化，等待ARM发送敲击命令，当敲击命令到而且敲击能量高于预先设置的触发门限值时，启动A/D采集，采集卡将采集到的数据通过DMA方式上传，这样就完成了一次数据采集。

4 测试效果

基于该采集卡的锚杆检测仪对某公路隧道2根设计长度3.5m、直径28mm已灌浆且凝固期已满的锚杆进行测量, 试验曲线如图7所示。对试验曲线进行分析后可以得出锚杆的测量长度分别为3.29m和3.45m，长度符合设计要求。通过观察曲线的衰减情况可以判断出灌浆密实度也基本符合要求。测试结果表明基于该采集卡的锚杆质量检测仪能够快速、准确的测量锚杆长度，检测锚固质量的好坏，符合设计要求。

图7 试验曲线

图7(a)中锚杆测量长度为3.29m，从图7(a)中可以看到标定线处低端反射信号(波谷)，声频应力波能量逐渐衰减到低端后又反射变大，2个标定线之间的长度为3.29m(锚杆长度)，符合设计要求。曲线逐渐衰减，声频应力波波形规则，曲线中间没有异常缺陷反射，说明锚固质量基本可靠。

图7(b)中锚杆测量长度为3.45m，通过波形曲线可以看出声频应力波能量激发后迅速衰减，说明锚固十分密实，将能量吸收传递的很迅速，用标定线标出的2个波谷之间的长度为3.45m，说明锚杆长度也符合要求。

5 结 语

笔者在深入剖析了传统的锚杆质量检测仪数据传输、处理速度慢、体积庞大不便携带等缺点的基础上，通过基于C8051F060的锚杆质量检测仪的采集卡的设计，通过FIFO实现采集卡和ARM的数据缓冲，解决了传统锚杆检测仪数据传输、处理速度慢、容易出现数据丢失的问题，该采集卡的使用也大大优化了检测仪的硬件设计，提高了仪器的便携性。该设计已经应用于长江大学LX-10E锚杆质量检测仪。实践表明，该方案设计的锚杆质量检测仪接口电路简单，数据传输快速、可靠，大大提高了工作效率，具有很好的应用前景。

[1]曾宪明，雷志粱，张文巾.关于锚杆“定时炸弹”问题的讨论[J].岩石力学与工程学报,2002(1)：143-147.

[2] 王军民, 陈义群,陈华. 高速公路锚杆锚固质量检测技术研究[J]. 地球物理学进展,2004，19( 4) ：782-785.

[3] 潘琢金. C8051Fxxxx高速SOC单片机原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2002：20-22.

[4] 范道尔吉，刘正宏，李东. S3C2410最小系统设计 [J].内蒙古大学学报，2010(5)：313-318.

[5] 陈光成. 用FIFO实现A/D与ARM处理器的接口[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2006(11) : 69-70.

2012-12-23

国家自然科学基金重大仪器专项项目(40727001)。

陈汉生(1988-),男，硕士生，现主要从事地球物理仪器方面的研究工作。

TN911.72;TP274.2

A

1673-1409(2013)04-0062-04

[编辑] 洪云飞