基于ARM微处理器的水利打夯质量监控系统

章武媚

(浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231)

0 引言

自2003年以来，浙江省对大量的病险水库进行除险加固，在病险水库除险加固套井回填[1］的施工中，现有打夯过程的次数、高度等关键数据是通过监理人员进行目测得到，没有专用设备进行统计.为了更好地提高施工质量，节约成本，提高效率，急需用先进发达地科学技术设计开发一套水利打夯质量监控系统.

1 系统设计原理

套井回填施工质量监控系统根据传统打夯的工作特点在卷扬机的操作手柄附近安装霍尔传感器和一个磁缸，通过霍尔传感器获取操作手柄的抬起压下的次数，并将该信息传递给控制器，通过设定的计算方法实时计算显示打夯的次数;同时，也在卷扬机的卷筒上安装8个磁缸和卷筒上方的横梁附近安装一个霍尔传感器获取卷筒旋转的圈数，控制器根据卷筒旋转的相对圈数计算打夯的高度，并将计算的打夯高度和次数信息直观的显示在LCD上，当打夯达到控制设定的次数时轰鸣提示操作者停止打夯;为了施工现场更加安全有效，当系统工作过程出现异常时自动切断卷扬机的工作电源.

2 硬件系统

2.1 硬件系统框架设计

系统的硬件包括电源模块，MCU最小系统模块，信号采集模块，控制模块，人机接口模块，数据导出模块，报警模块，调试配置模块，时钟模块，看门狗等部分组成，结构见图1.

图1 硬件系统框架结构图

2.2 关键技术设计

套井回填施工质量监控系统能自动获取信号、计算打夯高度和打夯次数，并提示用户打夯次数达到指定值;同时系统提供友好的人机接口，供用户设定和查看打夯的各种信息及其参数.

2.2.1 ARM 处理器

控制器的处理器采用低功耗RISC处理器ARM，型号为意法半导体的STR711.该芯片功能接口丰富，本设计中需用到的功能接口全部集成于芯片内部，且处理速度和抗干扰性能远高于8/16位单片机[2－3］.

2.2.2 电源模块

为系统提供的是AC 220 V，这是施工现场最常用的，但不适合作为系统的工作电压，AC 220 V经变压器降压成12 V后在通过稳压流滤波后由电源管理芯片和LDO芯片分别输出5 V和3.3 V干净的直流电.同时，为使系统得到最佳性能，因此其电源模块部分的电影管理芯片采用TI高性能的DCDC.其电源输出电压稳定、纹波系数小，线性度高等优点.由V_1.0和V_2.0两点接入到电机控制器，电路见图2.

2.2.3 信号采集模块

信号采集模块由霍尔传感器、光电隔离电路，信号调理电路组成，光耦为工业级光耦NEC2501，信号调理电路采用施密特触发器对脉冲信号进行整形，为微处理器可靠识别信号提供保障.根据系统要求，信息采集模块要提供两组信息，一组为打夯次数，另一组为打夯高度，这两组信息通过采集电路获取，通过 AIN_1和 AIN_2两端点接入到ARM处理器进行信息处理，电路见图3.

2.2.4 控制模块

电机控制是整个系统的又一个核心部分，直接关系到系统工作的性能，本系统采用一组可靠的继电器控制电路，通过经整流的10 A的电流通过，性能稳定，电路见图4.

图2 电源电路图

2.2.5 人机接口

人机接口由240×160的图形液晶和全功能薄膜键盘组成，采用了接口简单的专用键盘管理芯片ZLG7290，减少了主控芯片的负荷.

2.2.6 报警模块

报警模块由声音宏亮的轰鸣器和驱动电路组成，电路见图5.

2.2.7 时钟模块

时钟模块未使用主控芯片自带的时钟功能，采用了具有I2C接口的时钟芯片DS1337，为控制器工作提供准确的时间.

2.2.8 数据导出模块

该模块包含一个RS232接口可与计算机的RS232接口连接，实现数据的导出功能.

2.2.9 看门狗模块

看门狗实现系统死机后的自动恢复功能，由外置看门狗芯片MAX706R组成.

2.2.10 调试配置模块

调试配置模块包括一个标准的JTAG接口，调试和下载程序用，还与数据导出模块共用RS232接口，实现控制器运行状态的跟踪.

图5 报警系统电路图

3 系统软件设计

为使系统具有更好地稳定性、易维护和可扩展等特性，软件设计采用ATI的嵌入式操作系统Nucleus plus，具有实时性高，易维护、性能稳定、占用资源少等优点.

3.1 系统软件框图

控制器的软件采用结构化程序设计.系统分为驱动层，中间层，应用层.驱动层位于最低层，为上层软件提供对硬件操的作接口，上层软件不关心对硬件的具体操作，只需调用驱动层提供的API接口即可;中间层处理一些公共事务，为应用层提供服务;应用层处理具体应用事务，见图6.该设计中应用层软件重点规划了三个任务(Nucleus plus属单进程多线程操作系统，整个系统可看作一个进程，一个线程可视为一个任务)，分别处理信号采集、程序界面显示、键盘操作、报警提示，运算处理以及控制操作等服务，并与其它次要任务(线程)协同工作完成控制器的整体功能需求.

图6 软件系统框架图

4 结语

本文提出一种基于ARM的水利打夯质量监控系统，通过对嵌入式ARM处理器和Nucleus plus操作系统等的综合运用开发，实现了对病险水库套井回填施工的核心数据地实时获取，并进行自动控制.这一系统的实施，为施工单位提供了准确、及时地数据，减少的施工人员工本支出、提高效率，为水利的管理部门提供了更好地管理工具，有效地保障水利打夯地施工质量，为水库保安工程作出应有的贡献.

[1]王 栋，邱云胜.套井回填技术在土坝防渗处理中的应用分析[J］.浙江水利水电专科学校学报，2010，22(3):1 －3.

[2]杜春雷.ARM体系结构与编程[M］.北京:清华大学出版社，2002.

[3]沈建华.STR71x系列ARM微控制器原理与实践[M］.北京:北京航天航空大学出版社，2006.