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06-17
测斜仪是测量钻孔倾斜、方位角、土体侧向移动和沉降的仪器，在实际工程施工中发挥着重要作用。
施工期位移监测是研究环境影响的主要手段。
目前，大多数倾角仪都采用传统的微控制器作为控制CPU。
由于传统的微控制器运行速度慢、内部资源少，且由于倾角数据采集系统是便携式设备，一般由电池供电，因此对系统功耗有较高的要求。
针对传统单片机应用在测斜仪领域的缺点和不足，本文设计的测斜仪系统采用16位超低功耗单片机MSPFl48作为控制CPU，具有具有运行速度快、功耗低、电路简单等优点。
，非常适合倾斜测量等各种对功耗要求较高的场合。
其低功耗的优势是传统微控制器无法比拟的。
其内置的12位A/D转换器和DMA控制单元分别用于系统采样电路和数据传输部分，使得系统硬件电路更加集成化和小型化。
1 系统总体硬件设计 倾角仪本质上是一个数据采集和处理系统。
它采用主从控制结构。
上位机为PC机，下位机为MSP控制器。
系统主体部分主要由PC机、传感器信号采样处理电路、以TI公司MSPF为核心的MSP控制器以及其他外围电路组成。
图1是系统总体结构框图。
1.1 电源模块 系统采用3.3V供电。
考虑到系统的低功耗，要求电源具有稳压功能，因此系统电源采用Maxim的MAXB。
MAXB可以提供0.6~5.3 V的输出电压，并且输出噪声较低，可以很好地满足倾角仪系统的要求。
MAXB的工作电路是TT提供的典型工作电路。
1.2 电池电量检测模块 系统内部有一个电池电量检测模块，如图2所示。
LMA将电池电压与参考电压进行比较。
当电池电压过低时，会发出警报，防止系统因电量不足而不稳定。
1.3 USB模块 利用CP实现USB转UART转换。
CP 具有内置 USB 协议，用于与计算机通信。
工作时，计算机上会生成一个虚拟COM口，用户可以按照通用串口的控制方法来使用该COM口。
通过CPl，可以方便地实现UART与USB之间的桥接，从而为系统增加USB通信接口，并且不需要对原有开发的串口应用程序进行大幅度修改。
CP2l01的外围电路非常简单，只需连接2个去耦电容即可。
只需将其引脚TXD和RXD分别连接到MSPF的P3.5和P3.4即可实现与单片机的连接，如图3所示。
2 系统软件设计 软件设计由上位机（地面监测与数据处理系统）和下位机（井下数据采集系统）两部分组成。
上位机软件主要与下位机进行通信，以实现数据传输、处理、计算、打印等功能。
下位机软件配合数据的采集、存储和传输。
2.1 下位机软件设计 下位机主要完成已测孔的实时采集和定时采集两大功能。
通过定期采集一定时间段内特定时刻的孔的数据，很容易了解被测孔内土体的竖向位移趋势，为判断建筑物的倾斜提供重要参考。
对于一些敏感区域，为了更好地了解该区域的实时垂直位移状况，可以进行测斜仪数据的实时采集。
下位机软件主要包括传感器采集、串口通信、主处理等模块。
其中，传感器采集模块主要完成被测孔倾斜数据的采集。
微控制器通过自身的A/D采集模块采集传感器信号。
可以同时采集8路模拟信号，并通过定时器B控制采集频率。
还可以直接将A/D数据寄存器的值赋给全局变量，通过全局变量实现与主程序的数据交互。
模拟量采集功能主要利用定时器中断服务子程序实现，采样频率由定时器控制。
通过在定时器中断中设置A/D控制寄存器来启动A/D转换。
串行通信模块完成与上位机的通信功能，从而将采集到的数据传输至上位机进行处理。
当接收到上位机发送的命令数据时，置位中断标志位，进入中断服务子程序，完成命令数据的接收。
发送采集到的数据时，不断检查发送标志位的状态，判断该字节是否发送成功。
只有当标志位发生变化时，才会将下一个字节的数据发送到发送缓冲区，从而最大限度地减少发送过程中的数据拥塞或错误。
主处理模块主要完成系统的初始化和各子程序的循环协调。
系统初始化后进入循环处理过程。
在循环过程中，主处理程序通过模拟量采集模块获取被测孔的倾角数据，并根据接收到的上位机命令，在设定的时间段内或实时进行处理。
某些孔或某些传感器采集的数据通过串行通讯模块发送到上位机。
下位机主程序流程如图4所示，下位机程序上电初始化后，进入状态检测阶段，根据不同的值进入相应的状态处理程序参数。
2.2 上位机软件 上位机软件的设计对整个系统起着至关重要的作用。
为了方便井下设备与上位机的通讯、数据处理和打印，实时监控整个系统的运行状态，在Delphi平台上采用MSComm控件完成上位机程序。
上位机设置的参数主要包括定时或实时采集、孔号、通讯端口、累计起始点等。
系统开始采集时，利用MSComm控件将这些参数以字符形式通过串行端口。
以便正确接收并恢复单片机采集的数据，并绘制土体垂直位移深度曲线。
上位机利用MSComm控件中的OnComm事件捕获接收到的数据，并利用Delphi中的TChart控件和TlJneSeries控件将接收到的数据绘制成深度曲线并显示在PC上。
3 测试结果分析 图5为单片机在某一时刻采集的土体垂直位移深度曲线，传输至PC机显示。
图5直观地显示了测量过程中土壤垂直位移随深度变化的变化。
4 结论 本系统以MSPF单片机为控制核心，通过自行设计的外围电路实现了地基位移的测量和监测。
在上位机中，利用MSComm控件和Delphi的绘图功能，将土体竖向位移深度的变化以曲线的形式实时绘制出来。
该系统具有成本低、便于携带、功耗低、使用方便等优点。
在现代施工监控中具有良好的应用潜力。
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