基于ARM的力学数据采集与分析系统 - 全文

岩体力学性质测试是岩体力学性质测试技术中重要的一个环节，其目地主要是为岩体变 形和稳定分析计算提供必要的物理力学参数 [1] 。本文通过设计一种基于ARM 的力学性质测试 系统，对岩块力学性质测试的试验数据进行自动化的测试、采集和分析，来准确预测岩体在 各种应力场作用下的变形与稳定性，进而为合理的工程设计提供岩体力学依据。

　　1 系统组成

　　系统是基于 S3C44B0X 处理器的嵌入式平台，采用了μC/OS-II 作为操作系统。一方面系 统的设计必须满足岩体力学性质测试的要求，一方面在嵌入式系统有限的资源上实现更多的 功能。主要由数据采集，数据存储，数据传输等几部分组成，通过与岩体力学试验仪器配合， 实时采集数据，并显示数据，还可将试验数据传输到上位机，进行进一步分析存储。系统的 基本结构组成如图1 所示：

 

 

　　首先由力学试验仪器测试岩体试件的力学性质，数据由仪器上的传感器得到，然后由嵌 入式的数据采集系统采集数据，通过LCD 显示数据。同时为了在试验中有效的保存数据， 扩展了系统的存储单元。系统可以使用以太网或CAN 总线与远端上位机通信，也可以通过 串口与上位机相连接，由数据处理分析系统对数据进行处理及画图，得到的实验数据可以存 储、分析、打印。

　　2 系统应用软件设计

　　系统的各个模块，分别完成不同的功能，以 μC/OS-II 操作系统为基础，通过任务调度， 实现数据采集、显示、存储和网络传输各部分。总的设计原则是系统模块化设计，各功能模 块之间相互独立，接口尽量简单，实现各个模块的高内聚、低耦合，以便于系统的维护和进 一步扩展。

　　系统应用程序主要使用 C 语言及汇编语言编写，完成功能有：（1）通过一个I/O 端口发 送试验启动信号；（2）通过系统自带的ADC 对多路试验参量进行实时数据的采集与转换； （3）通过LCD 显示界面，使用折线图动态显示参数曲线；（4）需要输入数据时，让处理器 扫描键盘输出输入端口获得输入值，因此可以实时监控试验进行过程，并进行相应的控制； （5）S3C44B0X 可以脱离上位机独立进行试验，也可以通过以太网或CAN 总线与上位机通 信，把试验数据传输到上位机。程序具体实现是在操作系统中建立多个不同优先级的任务， 然后通过消息队列和全局变量进行同步 [5] [6] 。主要程序流程图如下：

 

 

 

　　上位机程序主要是基于 Delphi 语言编写，上位机与试验系统相连接，控制试验仪器，获取试验数据，显示试验数据曲线，还可通过数据库技术方便地查询每组试验数据，通过PC 机显示界面对试验数据结果文件进行对比。

 

 

 

　　3 系统测试

　　为了调试开发的实时数据采集分析系统的性能，连接岩体力学试验仪器上进行了多次单轴压缩、单轴拉伸、三轴压缩、直接剪切等试验。通过对三个压力传感器和两个位移传感器的相应模拟信号进行采集，记录整个试件在试验过程中的压力、位移和变形等参量。

　　实例（三轴试验( 力 -- 行程 )）：

 

 

 

 

　　3）通过网络向上位机传输数据并显示

　　试验数据是在试验过程中存储到嵌入式系统中，同时可以传输到上位机。上级机可以利用存储空间较大的优势，存储试验历史数据，并可以随时显示历史数据。

　　上位机接收网络数据如图 4 所示。

 

 

 

　　4 结束语

　　该测试系统可以使岩体力学试验从得出测量数据，画出力学性质曲线，打印报表，到实 验数据的比较、分析、存储的一系列过程自动化、智能化，使得岩体力学试验测试和计算分 析系统能够小型化，智能化，高效率的实现试验中数据采集和分析的问题。并且具有低耦合、 高内聚、可扩展、可移植、稳定性好、体积小和成本较低等良好特点。

　　本文作者创新点：（1）实现了一种实用的实时数据采集及分析系统。（2）移植了实时嵌入式 操作系统μC/OSII 到ARM7 平台。（3）移植了TCP/IP 协议栈。