近年來(lái)，我國(guó)工程建筑事業(yè)開(kāi)展迅猛，城市高層建筑也隨之得到了前所未有的高速發(fā)展。樁基的成樁質(zhì)量與其實(shí)際承載力關(guān)系到整個(gè)高層建筑的設(shè)計(jì)和安危，因此對(duì)于高層建筑而言，樁基承載力檢測(cè)非常重要。我國(guó)建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ94-94）規(guī)定：對(duì)于一級(jí)建筑物以及缺乏可參照試樁資料的二級(jí)建筑物為確定單樁豎向極限承載力，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)。
　現(xiàn)有的靜載檢測(cè)儀雖然做到了自動(dòng)化、智能化，但是都是基于有線連接方式的，并且所使用的8位MCS-51單片機(jī)功耗較大、功能較單一，數(shù)據(jù)盒與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)采用RS-232串口通信，無(wú)法適應(yīng)電子系統(tǒng)無(wú)線化、小型化、高效化、集成化、節(jié)能化的發(fā)展需求。并且新一代的PC機(jī)上的COM接口已逐浙消失,單獨(dú)設(shè)計(jì)USB轉(zhuǎn)RS-232會(huì)帶來(lái)不必要的麻煩,開(kāi)發(fā)帶有USBUART仿真串口的傳輸接口是當(dāng)今檢測(cè)儀器的發(fā)展需要。
    PSoC的特點(diǎn)在于既具有8位微控制器的處理能力，又集成了多種可編程數(shù)字用戶(hù)模塊。值得一提的是，PSoC史無(wú)前例地集成了多種可編程模擬用戶(hù)模塊功能，將全數(shù)字式的微控制器設(shè)計(jì)與純粹的模擬設(shè)計(jì)相結(jié)合，是一種具有SoC的基本原理的、基于高度靈活且完全可編程混合信號(hào)的全新一代器件。
    CyFi低功耗無(wú)線射頻技術(shù)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、可實(shí)現(xiàn)多信道跳變等特點(diǎn)，使其成為無(wú)線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新生力量，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車(chē)家電、智能建筑等多種無(wú)線控制應(yīng)用中。
　CY8C24894是Cypress公司推出的帶有M8C控制內(nèi)核的PSoC可編程片上系統(tǒng)，系統(tǒng)資源中帶有USBUART傳輸模塊。本文圍繞這款高性能、低功耗的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線采集系統(tǒng)" class="cblue" href="http://www.shi-ke.cn/tags/采集系統(tǒng)" target="_blank">采集系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理
    系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分與數(shù)據(jù)上傳部分。數(shù)據(jù)采集部分由5個(gè)子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)CyFi無(wú)線傳輸技術(shù)組成。其中，子節(jié)點(diǎn)又分為4個(gè)位移子節(jié)點(diǎn)和1個(gè)壓力子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)的核心控制單元是PSoC可編程片上系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)并控制CyFi無(wú)線模塊發(fā)送[1]。另外，位移傳感器采用數(shù)字容柵式MS50傳感器，輸出量為數(shù)字信號(hào)。壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器MPM480，輸出量為模擬信號(hào)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
    數(shù)據(jù)上傳部分由匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通過(guò)USBUART傳輸技術(shù)組成，匯聚節(jié)點(diǎn)由基于PSoC可編程片上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)盒控制。數(shù)據(jù)盒通過(guò)CyFi無(wú)線模塊，收集到全部子節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)?shù)玫缴衔粰C(jī)讀取數(shù)據(jù)命令后，通過(guò)USB接口模擬的串口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 CY8C24894可編程片上系統(tǒng)
    CY8C24894是一種高速低功耗的芯片，內(nèi)含的M8C處理器工作頻率最高可為24 MHz，工作電源為3.3 V或5 V。CY8C24894內(nèi)含1個(gè)XRES引腳支持系統(tǒng)內(nèi)串行ISSP編程和外部復(fù)位控制。并且，CY8C24894不需要外部晶振驅(qū)動(dòng)便可以開(kāi)始工作[2]。CY8C24894包含7個(gè)IO端口：Port0、Port1、Port2、Port3、Port4、Port5和Port7，共49個(gè)GPIO。模擬系統(tǒng)包括2列6個(gè)可編程模擬模塊和模擬互聯(lián)邏輯，數(shù)字模塊包括1行4個(gè)可編程數(shù)字模塊和數(shù)字互聯(lián)邏輯，另CY8C24894片上還集成了16 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，1 KB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
    可編程片上系統(tǒng)CY8C24894集成了全速USB通信模塊、2個(gè)帶32位累加的高速8位乘法器、多個(gè)SPI主、從設(shè)備、6~14位模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器、濾波器、最大增益為48的可編程增益放大器PGA、6~9位模數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器等片上資源。
2.2 無(wú)線模塊
     射頻芯片采用CYRF7936芯片，為40引腳的QFN封裝芯片。工作的ISM頻段為2.4 GHz~2.483 GHz，工作電壓為1.8 V~3.6 V,支持速度為4 MHz的SPI微控制器接口，需外接12 MHz的晶振。
    CyFi無(wú)線射頻技術(shù)是Cypress公司2008年底提出的面向嵌入式控制領(lǐng)域的一款低成本、低功耗、高可靠性的無(wú)線射頻解決方案，工作于無(wú)許可限制的2.4 GHz ISM頻段。CyFi無(wú)線射頻解決方案由PSoC控制核心、無(wú)線射頻收發(fā)器和CyFi星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧組成。PSoC可編程片上系統(tǒng)包含了CyFi星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧預(yù)配置固件用戶(hù)模塊，并以源代碼的形式提供了全部應(yīng)用程序的接口，總共只需8個(gè)API指令便能完成設(shè)計(jì)。CyFi收發(fā)器輸出功率高達(dá)+4 dBm，接收靈敏度高達(dá)-97 dBm，能實(shí)現(xiàn)跳頻傳輸和DSSS調(diào)制抗干擾,并能根據(jù)鏈接管理需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)傳輸數(shù)據(jù)速率，以1 Mb/s、250 kb/s或125 kb/s的速率進(jìn)行通信。
2.3 傳感器模塊
    本設(shè)計(jì)中位移子節(jié)點(diǎn)采用巖土工程監(jiān)測(cè)中常用的數(shù)字容柵式位移傳感器MS50，其分辨率為0.01 mm，精度為±0.03 mm， 電子容柵式位移傳感器MS50的輸出信號(hào)如圖2所示，分為CLK和DATA兩路信號(hào)進(jìn)行傳輸。由示波器檢測(cè)輸出信號(hào)可知：信號(hào)的頭尾為標(biāo)志位，且為4位高電平值。位移傳感器MS50每250 ms傳輸一幀48位的數(shù)據(jù)包，這個(gè)數(shù)據(jù)包由各分為24位的兩組數(shù)據(jù)組成。其中，后一組數(shù)據(jù)為前一組數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)零值后的差值，即為前一組數(shù)據(jù)的倒相輸入。

    MS50傳感器的輸出時(shí)鐘頻率為90 kHz，出現(xiàn)標(biāo)志位后，時(shí)鐘信號(hào)第一次有電平向下跳變時(shí)，開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)信號(hào)上的信息，直到尾部標(biāo)志位出現(xiàn)為止。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)MAX485轉(zhuǎn)換后,輸出DATA和CLK兩個(gè)信號(hào)，供CY8C24894讀取。
    壓力子節(jié)點(diǎn)采用的是MPM480壓阻式壓力傳感器，供電電源為15 V~28 V，輸出為模擬信號(hào)4 mA~20 mA。由于CY8C24894內(nèi)部含有可編程增益放大器PGA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，所以將壓力傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后直接連到CY8C24894的模擬輸入引腳。接口電路如圖3所示。

2.4 總體硬件電路
    總體電路由4個(gè)位移子節(jié)點(diǎn)電路、1個(gè)壓力子節(jié)點(diǎn)電路和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)電路組成。CY8C24894與CYRF7936的連接如圖4所示。

    子節(jié)點(diǎn)包括位移傳感器子節(jié)點(diǎn)和壓力傳感器子節(jié)點(diǎn)兩種。CY8C24894讀取位移數(shù)據(jù)后，將位移量保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并保持位移量實(shí)時(shí)更新。當(dāng)需要傳輸位移數(shù)據(jù)量時(shí)，CY8C24894控制SPI總線以主設(shè)備模式向從設(shè)備模式的無(wú)線射頻模塊CYRF7936傳輸信號(hào)[3]，并以無(wú)線方式發(fā)送出去，SPI模塊工作時(shí)鐘VC1為系統(tǒng)的四分頻，即6 MHz。壓力傳感器子節(jié)點(diǎn)輸出的是模擬量,因此需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后才能由控制核心CY8C24894存儲(chǔ)和控制射頻模塊發(fā)送。而A/D轉(zhuǎn)換功能使用CY8C24894可編程片上系統(tǒng)自身所帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在CY8C24894中需要占用2個(gè)可編程數(shù)字用戶(hù)模塊和1個(gè)可編程模擬模塊[4]。子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

    匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)類(lèi)似，但是不再需要前端采集模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)在解析命令后通過(guò)SPI總線控制CYRF7936無(wú)線射頻模塊發(fā)送命令。在得到回復(fù)后將信息再由CYRF7936無(wú)線射頻模塊通過(guò)SPI總線傳輸給控制核心，并最終通過(guò)USBUART仿真串口反饋給上位機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    子節(jié)點(diǎn)采集功能分為位移量采集和壓力量采集。位移傳感器的輸出信號(hào)在CLK時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)下跳沿時(shí)，開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸，而如果此時(shí)出現(xiàn)中斷，則會(huì)導(dǎo)致位移量采集無(wú)法進(jìn)行，在檢測(cè)到CLK的標(biāo)志信號(hào)后，應(yīng)關(guān)閉中斷，讓位移數(shù)據(jù)采集正常進(jìn)行，讀取完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存更新，同時(shí)再次打開(kāi)外部中斷，等待下一次位移數(shù)據(jù)的采集，位移量采集流程如圖7所示。

    壓力采樣過(guò)程為：首先讀取壓力傳感器的輸入信號(hào)，并通過(guò)CY8C24894內(nèi)部可編程增益放大器PGA對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)放大后的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCINC12時(shí)鐘為VC2，即VC1的三分頻2 MHz。轉(zhuǎn)換完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存、更新，壓力量采集流程如圖8所示。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    在接到上位機(jī)命令后，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令解析。當(dāng)開(kāi)始讀取并更新數(shù)據(jù)工作時(shí)，首先讀取匯聚節(jié)點(diǎn)在偵測(cè)階段確認(rèn)的子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)開(kāi)始逐個(gè)讀取位移量。沒(méi)有得到回復(fù)時(shí)，反復(fù)三次延時(shí)70 ms再次發(fā)送讀取命令，若還沒(méi)有回復(fù)則工作指示燈熄滅，轉(zhuǎn)向下一個(gè)子節(jié)點(diǎn)；如果得到回復(fù)，則更新原先存儲(chǔ)在匯聚節(jié)點(diǎn)的該子節(jié)點(diǎn)信息并保存，計(jì)數(shù)器加一，完成后向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取信息，直到之前偵測(cè)得到所有節(jié)點(diǎn)全部詢(xún)問(wèn)到。當(dāng)進(jìn)入傳輸數(shù)據(jù)工作時(shí)，初始化USBUART功能模塊，并打開(kāi)全局中斷。檢測(cè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)非空時(shí)，從讀取區(qū)讀取待發(fā)送的數(shù)據(jù)，并檢測(cè)發(fā)送區(qū)是否空閑，當(dāng)發(fā)送準(zhǔn)備完畢后，開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程如圖9所示。

    本系統(tǒng)充分利用CY8C24894可編程片上系統(tǒng)的高效性和低功耗性，并配合CyFi低功耗無(wú)線技術(shù)為靜載試驗(yàn)的采集工作服務(wù)。不僅滿(mǎn)足了靜載檢測(cè)的需求，也使得虛擬檢測(cè)儀器的研究在無(wú)線化、小型化、高效化、低功耗、功能全面的方向有了新的設(shè)計(jì)思路。
    經(jīng)實(shí)際測(cè)試，匯聚節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸距離可達(dá)到20 m，傳感器數(shù)據(jù)采集正常，并且能在預(yù)設(shè)的監(jiān)控軟件中實(shí)時(shí)顯示。測(cè)試表明系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、集成度高、功耗水平低等特點(diǎn)，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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