砂土强度变化测试控制系统设计与实现

李军

摘  要： 传统检测方法不能根据不同地质情况、砂土强度的具体变化趋势快速完成系统串行通信接口选择。为了解决此问题，设计砂土强度变化测试控制系统。通过系统集成框图设计、测试台结构设计、采集控制器设计，完成砂土强度变化测试控制系统硬件模块设计。通过软件框架设计、开发流程设计、串行程序设计，完成砂土强度变化测试控制系统软件模块设计。模拟新型系统的工作环境，设计对比实验。结果表明，在砂土强度由高转低、由低转高两种情况下，系统串行通信接口选择速度，都得到了明显提升。

关键词： 砂土强度; 变化测试; 系统集成; 采集控制器; 软件架构; 开发流程; 串行程序

中图分类号： TN64?34; TU441                  文献标识码： A                    文章编号： 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应力?应变关系属性确定。当特征应力发生改变时，砂土破坏应力、屈服应力、峰值应力等物理条件发生改变。砂土强度可用高低程度来进行划分，当砂土强度由高变低时，特征应力值下降，砂土种类也随之改变[1]。当砂土强度由低变高时，特征应力值上升，砂土种类也随之改变。在这种情况下，原有挖掘施工强度就显得过于无力，若继续保持，则容易造成挖掘设备的损坏。为了保证施工人员的人身安全，并节约施工成本，在对不同砂土地面进行施工前，完成砂土强度变化测试控制，就显得极为有必要[2]。随着工业技术手段的不断发展，传统检测方法，逐渐显露出系统串行通信接口选择速率较低、施工进程过慢等弊端。为了提升砂土施工效率、缩减施工成本，设计一种新型砂土强度变化测试控制系统。

1  砂土强度变化测试控制系统硬件模块设计

1.1  砂土强度变化测试控制系统集成框图设计

砂土强度变化测试控制系统，以PCI总线作为核心结构，其两侧分别与中心计算机与外部砂土强度变化测试控制单元相连[3?4]。中心计算机主要包括I/O设备和两个传输线桥，其中I/O设备是中心计算机的灵魂部件，两个传输线桥作为两级传输结构，都以PCI总线相连，但上级传输线桥还有一个分支，与次级计算机设备相连[5]。外部砂土强度变化测试控制单元，包括砂土强度总线通信卡、变化测试控制通信卡、电源控制结构、其他设备四部分结构。其中，电源控制结构中的电力资源由外部供电器提供。详细结构框图如图1所示。

1.2  砂土强度变化测试台结构设计

砂土强度变化测试台结构，由中心计算机、砂土强度变化数据采集卡、测试控制信号调理电路、强度变化测试控制导引头、转化通信卡5部分组成。对于砂土强度变化测试台结构来说，完成砂土强度变化数据采集，并将采集完成的数据，转化成可传输的电信号，再将电信号通过导引头传输至测试控制信号调理电路，为系统下一步工作提供条件[6?7]。详细结构设计图如图2所示。

1.3  砂土强度变化采集控制器设计

砂土强度变化采集控制器，起始于初级测试控制结构，在此结构中，对采集器采集到的砂土强度变化参数，进行初级处理[8]。完成处理后的数据，进入强度采集器中，并完成数据的进一步模拟加工。强度采集器与驱动器间始终保持相互连通状态，以保证数据可持续进行交流。从驱动器中传输出的砂土强度变化数据，具有一定的实际应用价值，这些数据进入采集控制器存储平台，并在此结构中长期保持待使用状态，等待中心计算机发出调用命令。具体采集控制器连接示意图如图3所示。

2  砂土强度变化测试控制系统软件模块设计

在完成了砂土强度变化测试控制系统硬件设计后，为保证系统的顺利运行，还需按照如下步骤，完成系统软件模块的搭建。

2.1  砂土强度变化测试控制系统软件框架设计

砂土强度变化测试控制系统软件架构由三部分组成。第一部分为砂土强度变化参数设计，包括待开发砂土区位置、预估砂土强度、测试控制器状态等信息。第二部分为测试控制信号源参数设计，主要通过测试待开发砂土区的测试控制信号状态，来完成系统参数的设置，该过程中设计的系统参数，包括系统延时、沙土硬度指数等[9?10]。第三部分为测试控制导引头参数设计，該部分可完成对砂土强度变化测试控制的需求分析，并整理前两部分的所有数据，传输至下一系统单元。具体软件架构图如图4所示。

2.2  软件串行程序设计

砂土强度变化测试控制系统软件串行程序，可在串口间进行通信的同时，实现一根信号线的砂土强度数据即时传输。且数据与数据之间保持按位顺序，一位接一位的进行有序传输，彼此之间不发生影响。按照数据发送方式，对软件串行程序进行分类，包括同步强度数据传送、异步强度数据传送两种，每种传送方法的详细要求及特点如表1所示。

3  实验结果与分析

3.1  实验参数设置

表2中参数名称依次为砂土起始强度、砂土终止强度、预期串行接口选择速度、测量控制系数、系统信息总量、传输连接系数。其中，砂土起始强度、砂土终止强度两项参数，分别针对后续实验的两部分。为了保证实验的公平性，实验组与对照组参数均保持一致。

3.2  砂土强度由低转高系统串行通信接口选择速度

完成实验参数设置，利用第一项砂土起始强度和砂土终止强度参数，在砂土强度由高转低情况下，测量系统串行通信接口选择速度。系统串行通信接口选择速度大小，与MXP指标呈正比关系，当MXP指标逐渐增大时，系统串行通信接口选择速度也随之增大，反之则减小。具体测量结果如图5、图6所示。

分析图5、图6可知，实验组MXP指标的最大值为8.45×10-4 T/s，系统串行通信接口选择速度最大值为8.96×10-4 T/s，且二者最大值均出现在第30 s;对照组MXP指标的最大值为2.61×10-4 T/s，出现在第17 s，系统串行通信接口选择速度最大值为2.96×10-4 T/s，出现在第24 s。所以，可证明应用砂土强度变化测试控制系统后，当砂土强度由高转低时，系统串行通信接口选择速度明显提升。

4  结  语

砂土强度变化对土壤施工造成极大影响，通过应用新型砂土强度变化测试控制系统的方式，提升串行接口选择速度，快速确定砂土强度的具体变化趋势。

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