基于MSP430F148單片機的土基智能測斜儀

測斜儀是一種測定鉆孔傾角、方位角和土體側移及沉降的儀器，在實(shí)際工程施工當中有著(zhù)重要作用。施工中對位移的監測是研究環(huán)境影響的主要手段。目前大多數測斜儀采用傳統單片機作為控制CPU。由于傳統單片機運行速度慢，內部資源少，并且由于測斜儀數據采集系統是一種便攜式設備，一般是由蓄電池供電，因此對系統功耗有較高的要求。
針對傳統單片機在測斜領(lǐng)域應用的缺點(diǎn)和不足，本文所設計的測斜儀系統采用16位超低功耗單片機MSP430Fl48作為控制CPU，具有運行速度快、功耗低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合傾角測量等各種功耗要求較高的場(chǎng)合，其在低功耗方面的優(yōu)越之處，是傳統單片機不可比擬的，其內部自帶的12位A／D轉換器和DMA控制單元分別用于系統采樣電路和數據傳輸部分，使得系統的硬件電路更加集成化、小型化。

1 系統硬件總體設計
測斜儀本質(zhì)上是一個(gè)數據采集、處理系統。采用主從式控制結構，上位機為PC機，下位機為MSP430控制器。系統的主要部分主要由PC機、傳感器信號采樣處理電路、以TI公司MSP430F148為核心的MSP430控制器、其他外圍電路構成。圖1為該系統總體結構框圖。

1．1 電源模塊
系統采用3．3 V供電，考慮到系統低功耗的特點(diǎn)，要求電源具有穩壓功能，因此系統電源采用Maxim公司的MAX8902B。MAX8902B能提供0．6～5．3 V的輸出電壓，并且輸出噪聲低，能很好滿(mǎn)足測斜儀系統的要求。MAX8902B的工作電路為T(mén)T提供的典型工作電路。
1．2 電池電量檢測模塊
系統內部有電池電量檢測模塊，如圖2所示。通過(guò)LM339A比較蓄電池電壓和基準電壓，當蓄電池電壓過(guò)低時(shí)報警提示以防由于電量缺失造成的系統不穩定。

1．3 USB模塊
采用CP2101實(shí)現USB-UART轉換。CP2101內置有與計算機通信的USB協(xié)議，工作時(shí)在計算機上產(chǎn)生一個(gè)虛擬COM端口，用戶(hù)就可以按照通用串行口的控制方式使用該COM端口。通過(guò)CP210l可以簡(jiǎn)單實(shí)現UART到USB間的橋接，從而為系統增加USB通信接口，而原來(lái)開(kāi)發(fā)的串口應用程序則無(wú)需大改動(dòng)。CP2l01的外圍電路非常簡(jiǎn)單，只要接2只去耦電容即可。只需將其引腳TXD和RXD分別連接至MSP430F148的P3．5和P3．4即可實(shí)現與單片機的連接，如圖3所示。

2 系統軟件設計
軟件設計由上位機(地面監控和數據處理系統)和下位機(井下數據采集系統)2部分組成。上位機軟件主要和下位機通信，方便實(shí)現數據傳輸、處理、計算和打印等功能。下位機軟件用于配合數據的采集、存儲和傳輸。
2．1 下位機軟件設計
下位機主要完成對被測孔的即時(shí)采集和定時(shí)采集2種功能。通過(guò)定時(shí)采集某個(gè)時(shí)間段內某些時(shí)刻該孔的數據，很方便了解被測孔的土體垂直位移趨勢，為判斷建筑物的傾斜程度提供重要的參考依據。對于某些敏感區域，為了更好的了解該區域實(shí)時(shí)的垂直位移狀態(tài)，可對其進(jìn)行測斜數據的實(shí)時(shí)采集。
下位機軟件主要包括傳感器采集、串口通信和主處理等模塊。其中，傳感器采集模塊主要完成對被測孔傾斜數據的采集。由單片機通過(guò)自帶的A／D采集模塊對傳感器的信號進(jìn)行采集，可以同時(shí)采集8路模擬信號，并通過(guò)定時(shí)器B控制采集的頻率。也直接將A／D數據寄存器的值賦給全局變量，通過(guò)全局變量實(shí)現與主程序進(jìn)行數據的交互。模擬量采集功能主要采用定時(shí)器中斷服務(wù)子程序實(shí)現，采樣頻率由定時(shí)器控制。在定時(shí)器中斷中通過(guò)設置A／D的控制寄存器啟動(dòng)A／D轉換。串口通信模塊完成與上位機的通信功能，從而將采集到的數據傳送到上位機進(jìn)行處理。當接收到上位機發(fā)送的命令數據時(shí)，通過(guò)中斷標志位的置位，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序中完成對命令數據的接收。當進(jìn)行采集數據的發(fā)送時(shí)，通過(guò)不斷地查詢(xún)發(fā)送標志位的狀態(tài)來(lái)判斷本次字節的發(fā)送是否成功，只有當標志位改變時(shí)，再將下一個(gè)字節的數據送入發(fā)送緩沖區，從而最大程度避免發(fā)送時(shí)的數據堵塞或錯誤。主處理模塊主要完成系統的初始化和各子程序的循環(huán)協(xié)調工作。系統在初始化后進(jìn)入循環(huán)處理過(guò)程，在循環(huán)過(guò)程中主處理程序通過(guò)模擬量采集模塊獲得被測孔的傾斜數據，并根據所接收到的上位機命令，在設定的時(shí)間段內或實(shí)時(shí)的將采集的某幾個(gè)孔或某幾個(gè)傳感器的數據通過(guò)串口通信模塊發(fā)送至上位機。

下位機的主程序流程如圖4所示。下位機程序上電初始化后就進(jìn)入了狀態(tài)檢測階段，根據不同參變量的數值進(jìn)入相應的狀態(tài)處理程序。
2．2 上位機軟件
上位機軟件的設計在整個(gè)系統的作用至關(guān)重要。為了方便井下設備與PC機的通信和數據的處理和打印，并且能很好實(shí)時(shí)監控整個(gè)系統的運行狀況，上位機程序是在Delphi平臺上利用MSComm控件完成的。上位機設定的參數主要包括定時(shí)或即時(shí)采集、孔號、通信端口、累積起點(diǎn)等。當系統開(kāi)始采集，利用MSComm控件通過(guò)串口將這些參數按字符形式依次發(fā)送給單片機。為了正確接收和還原單片機采集的數據，并繪制出土體垂直位移深度曲線(xiàn)。上位機采用MSComm控件中的OnComm事件捕獲接收到的數據，并利用Delphi中的TChart控件和TlJneSeries控件將接收的數據繪制成深度曲線(xiàn)在PC機上顯示。

3 試驗結果分析

圖5為某一時(shí)刻經(jīng)單片機采集傳感器數據并傳送到PC機顯示的土體垂直位移深度曲線(xiàn)。圖5直觀(guān)顯示出中本次測量中隨著(zhù)深度變化，土體垂直位移的變化情況。

4 結束語(yǔ)
本系統利用MSP430F148單片機作為控制核心，通過(guò)自行設計的外圍電路，實(shí)現了對土基位移的測量和監控。上位機中利用MSComm控件和Delphi的繪圖功能，將土體垂直位移深度的變化情況以曲線(xiàn)的形式實(shí)時(shí)繪制。該系統具有成本低廉、攜帶方便、耗電量低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在現代化施工監測中具有很好的應用潛力。