??? 摘? 要: 設計了基于USB2.0的樁基動態檢測系統" title="檢測系統">檢測系統,并重點研究了數據采集" title="數據采集">數據采集部分的設計與實現方法。此系統具有功耗低、數據傳輸速率高、使用方便等特點。
??? 關鍵詞: USB2.0;? 動態檢測;? 數據采集
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??? 目前,我國工程建設發展迅速,樁基工程已得到了全面的應用,在高層建筑、港口碼頭、道路橋梁等工程中都大量采用樁基。然而在樁基工程實施過程中,由于其隱蔽性,若產生質量問題,其整改、加固補強的難度都非常大。樁基存在缺陷將嚴重影響建筑物的安全性和耐久性,因此對樁基檢測系統的研究和開發具有重要而深遠的意義。樁基檢測的諸多方法中,反射波檢測法具有檢測速度快、反應直觀、適應性強等優點,已成為檢測樁身完整性的首選方法。該方法以棒撞擊樁頂,產生一縱向應力波信號沿樁身傳遞,由加速度計(或速度計)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量。該方法檢測設備簡單,具有快速、無損等優點[1]。在檢測過程中,數據采集是十分關鍵的環節,數據采集技術是衡量檢測系統的核心指標之一。本文提出了一種基于反射波法的通過USB2.0采集數據的樁基檢測系統方案。
1? USB總線結構和通信原理簡介
1.1 USB總線的特點[2]
??? USB總線具有如下特點:①支持熱插拔,即插即用。②共享式接口。通過USB集線器,一個USB主控制器上最多可以連接126個外設。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節省系統資源。USB系統中,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系統通過規范的硬件設計和USB協議中的完善的數據錯誤檢測機制來確保數據準確無誤地發送和接收。⑥兼容性好,成本低。
1.2 USB通信協議的工作原理
??? USB系統就是指USB設備到主機的連接,這種連接可被分為3個邏輯層:功能層、USB設備層、USB總線接口層,且每一層都由主機和USB設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設備的功能單元進行通信;在USB設備層,USB系統軟件" title="系統軟件">系統軟件和USB邏輯設備間的通信是通過缺省控制管道0實現的;在USB總線接口層,所有實際的USB數據傳輸都由主機和USB設備的SIE(Serial Interface Engines)來完成。
??? 客戶軟件不能直接訪問USB設備,它必須通過USB系統軟件和USB總線接口模塊才能實現。USB系統軟件負責與USB邏輯設備進行配置通信,并管理客戶軟件啟動的數據傳輸。USB總線接口包括主控制器和根集線器。根集線器為USB系統提供連接起點,主控制器負責完成主機和USB設備間數據的實際傳輸。
2 基于USB2.0的樁基檢測系統設計
??? 檢測系統需要具備把反射波實時采集、顯示且進行處理分析的功能,功能模塊可劃分為數據采集、數據儲存、數據處理等幾部分。結合配備的傳感器,共同完成反射波法檢測樁的完整性的分析[3]。樁基檢測系統結構如圖1所示。
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????檢測系統的信號輸入有四個接口,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。濾波后通過模擬多路選擇器選擇一路信號進入16位ADC轉換器,在控制單元的控制下,通過采樣保持、數模轉換,對相關數據進行同步存儲。圖2給出了數據采集部分結構框圖。
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3 基于USB2.0的高速實時數據采集系統簡述
??? 該樁基檢測系統的數據采集系統由高速A/D" title="A/D">A/D轉換、FPGA邏輯電路、USB2.0傳輸控制模塊和計算機構成,框圖如圖3所示[4]。工作流程為:先通過A/D轉換芯片把外部輸入的模擬信號轉為數字信號,然后再把數字信號傳輸到FPGA可編程邏輯門陣列芯片,進行數字信號的緩沖變頻處理,再通過USB2.0控制傳輸芯片把處理過的數字信號用USB2.0協議傳輸到計算機。另外,還增加一個51單片機芯片,用來控制FPGA可編程邏輯門陣列芯片與USB2.0傳輸的工作情況和工作狀態。本系統所能實現的主要功能有: (1)具有全速塊傳輸和全速同步傳輸兩種傳輸方式來實現數據采集; (2)具有模數轉化顯示功能,實時顯示所采集到的波形,并可進行保存和回放; (3)系統的采樣頻率可調。
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4 數據采集系統設計原理與實現
4.1? 系統的硬件方案設計與主要芯片簡介
??? 系統主要由模擬信號輸入模塊、A/D模數轉換模塊、FPGA信號處理模塊、USB2.0傳輸模塊、USB2.0輸出接口模塊和PC機組成[4]。圖4為系統的硬件結構原理圖。A/D轉換芯片采用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傳輸模塊實現把FPGA電路處理好的數據高速傳送到計算機,為此采用基于USB2.0控制芯片的傳輸模塊來完成高速數據傳輸,USB2.0協議支持以下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8051處理器、1個串行接口引擎(SIE)、1個USB收發器、8.5KB片上RAM、4KB的FIFO存儲器以及1個通用可編程接口(GPIF)。FX2是一個全面集成的解決方案,它占用更少的電路板空間,并縮短開發時間。EZ-USBFX2擁有獨特的架構,其中包括1個智能串行接口引攀(SIE)。它執行所有基本的USB功能,將嵌入式MCU解放出來以實現專用的功能,并保證其持續的高傳輸速率。FX2還包括2個通用可編程接口(GPIF),允許它“無膠粘接”,即可與任何ASIC或DSP進行連接,并且它還支持所有通用總線標準,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轉換芯片,在滿足下一代便攜式平臺的尺寸和功耗要求的同時,達到了高精度應用所需的性能水平。AD7980在1Ms/s采樣速率時功耗的典型值為7.5mW,其每次轉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),使其能夠達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、忙狀態指示以及使用單獨電源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系列產品引腳兼容,從而在對制造商影響最小的情況下能夠靈活地改變系統性能。
4.2 系統的軟件設計與實現
??? 系統軟件可分為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設備驅動程序和Win32應用程序。
4.2.1 固件程序設計
??? EZ-USBFX2的固件程序可分為主程序、中斷服務程序和請求處理程序3部分。其中,主程序的主體部分是個無限循環,用來循環查詢一些標志,如請求處理、需要填充數據等標志,一旦標志有效就進人相應的子程序進行處理。中斷服務程序用來處理EZ-USBFX2產生的硬件中斷,同時,根據中斷的不同將不同的標志置位或清除。請求處理程序負責完成枚舉階段收到的標準請求以及在正常工作階段收到的廠商請求等。
4.2.2? USB2.0設備驅動程序設計
??? 為了配合本系統EZ-USBFX2的固件程序,還需要編寫一個設備驅動程序,以使WIN32應用程序能夠正確訪問下位機USB2.0設備。它包含了WDM驅動程序所需要的入口例程" title="例程">例程、即插即用例程、分發例程、電源管理例程和卸載例程,并且在分發例程中實現了對供應商自定義請求的處理。
4.2.3? Win32應用程序
??? 本系統的Win32應用程序主要負責測試系統的工作狀態,讀取系統硬件數據采集卡所采集的數據,并實時顯示波形。
??? 由于本系統采用基于USB2.0的傳輸方式,很好地滿足了實時性和高速性的實際要求。而USB接口擁有很好的兼容性和低廉的成本,因此將會在樁基動態檢測的實時信息采集中獲得廣泛的應用。
參考文獻
[1] 劉仲謀,吳建江,劉愛榮.樁基靜載儀數據采集及控制系統的研究與開發[J].電子技術,2002(9):19-22.
[2]?王成儒,李英偉.USB2.0原理與工程開發[M].北京:國防工業出版社,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[J].解放軍理工大學學報,2002,3(3):67-70.
[4] 王輝麟,賈利民,蔣秋華.基于USB2.0高速實時數據采集系統的設計與實現[J].鐵路計算機應用,2005,14(8):