基于MSP430F148單片機(jī)的土基智能測(cè)斜儀

測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔傾角、方位角和土體側(cè)移及沉降的儀器，在實(shí)際工程施工當(dāng)中有著重要作用。施工中對(duì)位移的監(jiān)測(cè)是研究環(huán)境影響的主要手段。目前大多數(shù)測(cè)斜儀采用傳統(tǒng)單片機(jī)作為控制CPU。由于傳統(tǒng)單片機(jī)運(yùn)行速度慢，內(nèi)部資源少，并且由于測(cè)斜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種便攜式設(shè)備，一般是由蓄電池供電，因此對(duì)系統(tǒng)功耗有較高的要求。
針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)在測(cè)斜領(lǐng)域應(yīng)用的缺點(diǎn)和不足，本文所設(shè)計(jì)的測(cè)斜儀系統(tǒng)采用16位超低功耗單片機(jī)MSP430Fl48作為控制CPU，具有運(yùn)行速度快、功耗低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合傾角測(cè)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(tǒng)單片機(jī)不可比擬的，其內(nèi)部自帶的12位A／D轉(zhuǎn)換器和DMA控制單元分別用于系統(tǒng)采樣電路和數(shù)據(jù)傳輸部分，使得系統(tǒng)的硬件電路更加集成化、小型化。

1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
測(cè)斜儀本質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)。采用主從式控制結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為MSP430控制器。系統(tǒng)的主要部分主要由PC機(jī)、傳感器信號(hào)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(gòu)成。圖1為該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。

1．1 電源模塊
系統(tǒng)采用3．3 V供電，考慮到系統(tǒng)低功耗的特點(diǎn)，要求電源具有穩(wěn)壓功能，因此系統(tǒng)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，能很好滿足測(cè)斜儀系統(tǒng)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(cè)模塊
系統(tǒng)內(nèi)部有電池電量檢測(cè)模塊，如圖2所示。通過(guò)LM339A比較蓄電池電壓和基準(zhǔn)電壓，當(dāng)蓄電池電壓過(guò)低時(shí)報(bào)警提示以防由于電量缺失造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

1．3 USB模塊
采用CP2101實(shí)現(xiàn)USB-UART轉(zhuǎn)換。CP2101內(nèi)置有與計(jì)算機(jī)通信的USB協(xié)議，工作時(shí)在計(jì)算機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)虛擬COM端口，用戶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(xiàn)UART到USB間的橋接，從而為系統(tǒng)增加USB通信接口，而原來(lái)開(kāi)發(fā)的串口應(yīng)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(xiàn)與單片機(jī)的連接，如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)由上位機(jī)(地面監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))和下位機(jī)(井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))2部分組成。上位機(jī)軟件主要和下位機(jī)通信，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理、計(jì)算和打印等功能。下位機(jī)軟件用于配合數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。
2．1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)主要完成對(duì)被測(cè)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(nèi)某些時(shí)刻該孔的數(shù)據(jù)，很方便了解被測(cè)孔的土體垂直位移趨勢(shì)，為判斷建筑物的傾斜程度提供重要的參考依據(jù)。對(duì)于某些敏感區(qū)域，為了更好的了解該區(qū)域?qū)崟r(shí)的垂直位移狀態(tài)，可對(duì)其進(jìn)行測(cè)斜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
下位機(jī)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(duì)被測(cè)孔傾斜數(shù)據(jù)的采集。由單片機(jī)通過(guò)自帶的A／D采集模塊對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，可以同時(shí)采集8路模擬信號(hào)，并通過(guò)定時(shí)器B控制采集的頻率。也直接將A／D數(shù)據(jù)寄存器的值賦給全局變量，通過(guò)全局變量實(shí)現(xiàn)與主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)，采樣頻率由定時(shí)器控制。在定時(shí)器中斷中通過(guò)設(shè)置A／D的控制寄存器啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。串口通信模塊完成與上位機(jī)的通信功能，從而將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)中斷標(biāo)志位的置位，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序中完成對(duì)命令數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)，通過(guò)不斷地查詢發(fā)送標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)判斷本次字節(jié)的發(fā)送是否成功，只有當(dāng)標(biāo)志位改變時(shí)，再將下一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)，從而最大程度避免發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)堵塞或錯(cuò)誤。主處理模塊主要完成系統(tǒng)的初始化和各子程序的循環(huán)協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)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(cè)孔的傾斜數(shù)據(jù)，并根據(jù)所接收到的上位機(jī)命令，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)或?qū)崟r(shí)的將采集的某幾個(gè)孔或某幾個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送至上位機(jī)。

下位機(jī)的主程序流程如圖4所示。下位機(jī)程序上電初始化后就進(jìn)入了狀態(tài)檢測(cè)階段，根據(jù)不同參變量的數(shù)值進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)處理程序。
2．2 上位機(jī)軟件
上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)的作用至關(guān)重要。為了方便井下設(shè)備與PC機(jī)的通信和數(shù)據(jù)的處理和打印，并且能很好實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，上位機(jī)程序是在Delphi平臺(tái)上利用MSComm控件完成的。上位機(jī)設(shè)定的參數(shù)主要包括定時(shí)或即時(shí)采集、孔號(hào)、通信端口、累積起點(diǎn)等。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始采集，利用MSComm控件通過(guò)串口將這些參數(shù)按字符形式依次發(fā)送給單片機(jī)。為了正確接收和還原單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，并繪制出土體垂直位移深度曲線。上位機(jī)采用MSComm控件中的OnComm事件捕獲接收到的數(shù)據(jù)，并利用Delphi中的TChart控件和TlJneSeries控件將接收的數(shù)據(jù)繪制成深度曲線在PC機(jī)上顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為某一時(shí)刻經(jīng)單片機(jī)采集傳感器數(shù)據(jù)并傳送到PC機(jī)顯示的土體垂直位移深度曲線。圖5直觀顯示出中本次測(cè)量中隨著深度變化，土體垂直位移的變化情況。

4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)利用MSP430F148單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的外圍電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土基位移的測(cè)量和監(jiān)控。上位機(jī)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的形式實(shí)時(shí)繪制。該系統(tǒng)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(xiàn)代化施工監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用潛力。