嵌入式锚杆检测应力仪的研究与设计

　　1引言

　　锚杆支护技术在矿井的安全生产中起到了举足轻重的作用。为了深入了解锚杆支护的受力工作状态和锚杆支护的工作机理, 通常需要对锚杆支护工程进行试验研究和支护参数现场测试。应变式测力锚杆的设计用意也就是为满足探讨锚杆支护设计和参数优化服务而设计的, 它能为锚杆支护工程提供科学的设计依据。目前,工程界常用的锚杆支护质量的检验方法主要有“拉拔法”和“钻孔法”。这两个方法都是破坏性检测方法,仅能对部分锚杆进行检测,且操作麻烦,费用昂贵。故本文采用嵌入式等技术设计一种具有智能化、体积小、操作方便等特点的嵌入式井下锚杆检测应力仪。

　　2系统组成及功能

　　本系统主要由三部分构成:

　　1). 电桥电路:这部分的主要作用是通过应变片将锚杆的应变信号变化转化成电阻变化, 再通过电桥电路将电阻变化信号转化为电信号。

　　2). 调理电路:这部分主要将微弱的电信号进行放大。

　　3). 检测电路:这部分是设计的重点。利用嵌入式技术,通过A/D 转化将模拟信号转化为 16 位精度的数字信号;将信号进行存储、显示;并能够通过以太网与上位机进行数据的传输。

　　3硬件设计

　　硬件平台的核心是基于PHILIPS 公司LPC2210, 外围主要电路包括:电源模块、存储模块、A/D 转换模块、LCD 模块、I/O 模块、以太网通信模块等,系统硬件结构如图1 所示。

　　3.1 A/D 转换模块

　　LPC2210 微处理器带有的A/D 转换只是11 位精度,不能满足锚杆测力仪的实际工作的需要, 所以本设计采AD7671 对采集的数据进行A/D转换。AD7671 能够达到 16 位分辨率,而且无失码,最大积分非线性误差(INL)仅为±2.5 LSB,能够满足各种高精度应用的要求。ADR421 为 AD7671 提了+2.5V 的基准电压。AD767l 的模拟输入端采用了由低噪声系数的激励放大器A D 8021 构成的驱动电路来驱动AD767l。若直接将A/D 转换器与微处理器LPC2210 相接,则会因A/D 的转换速率较高,迫使LPC2210 不断地读取转换结果,因而就占用了LPC2210 大部分的 I/O 带宽,降低了系统的工作效率。 系统采用“A/D 转换器-缓存器一处理器”这种通用模式。缓存器采用FIFO 芯片CY7C4255V。

　　A/D 转换结果输出直接与FIFO 数据输入端D0~D15 相连,转换控制由ARM 处理器的一个 PWM 输出端产生所需的采样频率的采样控制信号, 该信号同时作为FIFO 的输入使能端的控制。AD767l 的BUSY 输出端作为FIFO 的输入时钟(WCLK)控制信号,当转换结束时BUSY(WCLK)由低变高,此时FIFO 写使能WEN 有效,转换数据就在WCLK(BUSY)信号的上升沿被写入FIFO 存储器中。

　　LPC2210 ARM 处理器总线数据宽度配置为16 位, 由EMC总线的片选信号 nCS2、输出使能信号 nOE、时钟输出 XCLK 来控制FIFO 的数据读取。FIFO 的半满(HF)、全满(FF)标志与ARM的2 个中断引脚相连, 可通过编程在实际应用中选择使用,EF接ARM 的P0.23 引脚作为FIFO 的空查询引脚。