摘  要: 设计了基于USB2.0的桩基动态检测系统" title="检测系统">检测系统,并重点研究了数据采集" title="数据采集">数据采集部分的设计与实现方法。此系统具有功耗低、数据传输速率高、使用方便等特点。

    关键词: USB2.0;  动态检测;  数据采集

    目前,我国工程建设发展迅速,桩基工程已得到了全面的应用,在高层建筑、港口码头、道路桥梁等工程中都大量采用桩基。然而在桩基工程实施过程中,由于其隐蔽性,若产生质量问题,其整改、加固补强的难度都非常大。桩基存在缺陷将严重影响建筑物的安全性和耐久性,因此对桩基检测系统的研究和开发具有重要而深远的意义。桩基检测的诸多方法中,反射波检测法具有检测速度快、反应直观、适应性强等优点,已成为检测桩身完整性的首选方法。该方法以棒撞击桩顶,产生一纵向应力波信号沿桩身传递,由加速度计(或速度计)拾取桩身缺陷处引起的反射波,由此判定桩身完整性,并由波速判断混凝土质量。该方法检测设备简单,具有快速、无损等优点^[1]。在检测过程中,数据采集是十分关键的环节,数据采集技术是衡量检测系统的核心指标之一。本文提出了一种基于反射波法的通过USB2.0采集数据的桩基检测系统方案。

1  USB总线结构和通信原理简介

1.1 USB总线的特点^[2]

    USB总线具有如下特点:①支持热插拔,即插即用。②共享式接口。通过USB集线器,一个USB主控制器上最多可以连接126个外设。③灵活的传输速度和传输方式。USB支持3种类型的传输速度:1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输,以及4种传输类型:块传输、同步传输、中断传输和控制传输。④节省系统资源。USB系统中,USB主控制器只需使用一根IRQ线和一些I/O地址空间。⑤性能可靠。USB系统通过规范的硬件设计和USB协议中的完善的数据错误检测机制来确保数据准确无误地发送和接收。⑥兼容性好,成本低。

1.2 USB通信协议的工作原理

    USB系统就是指USB设备到主机的连接,这种连接可被分为3个逻辑层:功能层、USB设备层、USB总线接口层,且每一层都由主机和USB设备的不同功能模块组成。在功能层,客户软件通过一组管道与USB设备的功能单元进行通信;在USB设备层,USB系统软件" title="系统软件">系统软件和USB逻辑设备间的通信是通过缺省控制管道0实现的;在USB总线接口层,所有实际的USB数据传输都由主机和USB设备的SIE(Serial Interface Engines)来完成。

    客户软件不能直接访问USB设备,它必须通过USB系统软件和USB总线接口模块才能实现。USB系统软件负责与USB逻辑设备进行配置通信,并管理客户软件启动的数据传输。USB总线接口包括主控制器和根集线器。根集线器为USB系统提供连接起点,主控制器负责完成主机和USB设备间数据的实际传输。

2 基于USB2.0的桩基检测系统设计

    检测系统需要具备把反射波实时采集、显示且进行处理分析的功能,功能模块可划分为数据采集、数据储存、数据处理等几部分。结合配备的传感器,共同完成反射波法检测桩的完整性的分析^[3]。桩基检测系统结构如图1所示。

    检测系统的信号输入有四个接口,分别为加速度传感器1、加速度传感器2、力传感器1、力传感器2,它们通过模拟低通滤波器滤掉干扰信号。滤波后通过模拟多路选择器选择一路信号进入16位ADC转换器,在控制单元的控制下,通过采样保持、数模转换,对相关数据进行同步存储。图2给出了数据采集部分结构框图。

3 基于USB2.0的高速实时数据采集系统简述

    该桩基检测系统的数据采集系统由高速A/D" title="A/D">A/D转换、FPGA逻辑电路、USB2.0传输控制模块和计算机构成,框图如图3所示^[4]。工作流程为:先通过A/D转换芯片把外部输入的模拟信号转为数字信号,然后再把数字信号传输到FPGA可编程逻辑门阵列芯片,进行数字信号的缓冲变频处理,再通过USB2.0控制传输芯片把处理过的数字信号用USB2.0协议传输到计算机。另外,还增加一个51单片机芯片,用来控制FPGA可编程逻辑门阵列芯片与USB2.0传输的工作情况和工作状态。本系统所能实现的主要功能有: (1)具有全速块传输和全速同步传输两种传输方式来实现数据采集; (2)具有模数转化显示功能,实时显示所采集到的波形,并可进行保存和回放; (3)系统的采样频率可调。

4 数据采集系统设计原理与实现

4.1  系统的硬件方案设计与主要芯片简介

    系统主要由模拟信号输入模块、A/D模数转换模块、FPGA信号处理模块、USB2.0传输模块、USB2.0输出接口模块和PC机组成^[4]。图4为系统的硬件结构原理图。A/D转换芯片采用AD7980;FPGA可编程逻辑门阵列芯片采用MAX系列的EPM7128SQC100-15;USB2.0控制芯片采用EZ-USBFX2;单片机芯片采用51系列的AT89S52。

4.1.1 USB2.0传输模块

    USB2.0传输模块实现把FPGA电路处理好的数据高速传送到计算机,为此采用基于USB2.0控制芯片的传输模块来完成高速数据传输,USB2.0协议支持以下3种速度模式:低速模式1.5Mb/s,全速模式12Mb/s,高速模式480Mb/s,其高速模式可满足高速采集、存储和处理的要求。采用CYPRESS公司的EZ-USBFX2系列USB2.0控制芯片。EZ-USBFX2芯片包括1个8051处理器、1个串行接口引擎(SIE)、1个USB收发器、8.5KB片上RAM、4KB的FIFO存储器以及1个通用可编程接口(GPIF)。FX2是一个全面集成的解决方案,它占用更少的电路板空间,并缩短开发时间。EZ-USBFX2拥有独特的架构,其中包括1个智能串行接口引攀(SIE)。它执行所有基本的USB功能,将嵌入式MCU解放出来以实现专用的功能,并保证其持续的高传输速率。FX2还包括2个通用可编程接口(GPIF),允许它“无胶粘接”,即可与任何ASIC或DSP进行连接,并且它还支持所有通用总线标准,包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。

4.1.2 AD7980芯片

    AD7980芯片是美国AD公司新推出的一款16位逐次逼近型ADC转换芯片,在满足下一代便携式平台的尺寸和功耗要求的同时,达到了高精度应用所需的性能水平。AD7980在1Ms/s采样速率时功耗的典型值为7.5mW,其每次转换消耗的功耗比原来的器件减小80%,因此能够有效延长便携式设备的电池寿命。该芯片采用3mm×3mm的LFCSP封装,可提供3mm×5mm的MSOP封装。AD7980具有真正16bit分辨率、±2LSB积分线性误差(INL)精度以及91.25dB信噪比(在1Ms/s采样率时),使其能够达到无与伦比的性能水平。其他特性包括多芯片菊花链连接能力、忙状态指示以及使用单独电源VIO供电与1.8V、2.5V、3.3V和5V逻辑电源兼容。AD7980与低速16bit和18bit系列产品引脚兼容,从而在对制造商影响最小的情况下能够灵活地改变系统性能。

4.2 系统的软件设计与实现

    系统软件可分为3大部分:采用KeilC51语言编写的EZ-USBFX2芯片固件程序、采用VisualC++语言编写的USB设备驱动程序和Win32应用程序。

4.2.1 固件程序设计

    EZ-USBFX2的固件程序可分为主程序、中断服务程序和请求处理程序3部分。其中,主程序的主体部分是个无限循环,用来循环查询一些标志,如请求处理、需要填充数据等标志,一旦标志有效就进人相应的子程序进行处理。中断服务程序用来处理EZ-USBFX2产生的硬件中断,同时,根据中断的不同将不同的标志置位或清除。请求处理程序负责完成枚举阶段收到的标准请求以及在正常工作阶段收到的厂商请求等。

4.2.2  USB2.0设备驱动程序设计

    为了配合本系统EZ-USBFX2的固件程序,还需要编写一个设备驱动程序,以使WIN32应用程序能够正确访问下位机USB2.0设备。它包含了WDM驱动程序所需要的入口例程" title="例程">例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程和卸载例程,并且在分发例程中实现了对供应商自定义请求的处理。

4.2.3  Win32应用程序

    本系统的Win32应用程序主要负责测试系统的工作状态,读取系统硬件数据采集卡所采集的数据,并实时显示波形。

    由于本系统采用基于USB2.0的传输方式,很好地满足了实时性和高速性的实际要求。而USB接口拥有很好的兼容性和低廉的成本,因此将会在桩基动态检测的实时信息采集中获得广泛的应用。

参考文献

[1] 刘仲谋,吴建江,刘爱荣.桩基静载仪数据采集及控制系统的研究与开发[J].电子技术,2002(9):19-22.

[2] 王成儒,李英伟.USB2.0原理与工程开发[M].北京:国防工业出版社,2004.

[3] 蒋新胜,李华兵,马光彦,等.基于USB接口的桩基无损检测系统[J].解放军理工大学学报,2002,3(3):67-70.

[4] 王辉麟,贾利民,蒋秋华.基于USB2.0高速实时数据采集系统的设计与实现[J].铁路计算机应用,2005,14(8):