（机械电子工程专业论文）基于pc104的便携式桩基检测系统.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 基于p c i 0 4 的便携式桩基检测系统 摘要 数据采集是从一个或多个信号中获取对象信息的过程。数据采集 系统是一种在实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号 预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。 将l i n u x 应用于嵌入式系统是当前嵌入式领域研究的一个热点。 本文探讨了嵌入式l i n u x 系统的开发方法，并完成了基于嵌入式l i n u x 的高速数据采集系统。 文中主要介绍了一种基于p c i 0 4 的高性能便携式数据采集系统 的设计方法，重点阐述了该系统软、硬件的设计思想和具体实现。该 数据采集系统以s c m 7 0 2 0 b 为系统主板，通过p c i 0 4 总线控制 a d t 6 5 2 数据采集卡，软件采用支持多平台的、完全面向对象的q t 程序设计方法。系统完成数据采集、实时运算和波形显示、以太网通 讯等功能。研发过程中，充分利用了p c 1 0 4 总线结构的堆栈式连接、 结构紧凑、集成度高、扩展性强和功能强大等特点。 该检测系统主要运用于桩基完整性测试中，文中简述了反射波法 检测桩基完整性的基本原理、测试技术和方法，通过对检测波的识别 与判断分析，阐述了反射波法在桩基完整性检测上的应用。按照反射 波法的理论，最终设计出了配合硬件工作的软件系统。 关键词：嵌入式系统数据采集p c 1 0 4q t 程序设计桩基反射波 北京邮电大学硕士学位论文 ap o r t a b l ep i l ed e t e c t i n gs y s t e mb a s e do np c 1 0 4 a b s t r a c t t h ed a t aa c q u i s i t i o ni st h ep r o c e s st oo b t a i no b j e c ti nf o r m a t i o nf r o m o n es i g n a lo rs e v e r a l s i g n a l s t h ed a t aa c q u i s i t i o ns e ti s ak i n do f l a b o r a t o r yo rf i e l da u t o m a t i ce q u i p m e n tt oa c q u i r eo n l i n ed a t a ，s a v e r e c o r d sa u t o m a t i c a l l y ，d a t ap r e t r e a t m e n t ，d i s p l a ya n da n a l y s i si n s t a n t l y i n c o r p o r a t i n gl i n u xw i t he m b e d d e ds y s t e mi sar e s e a r c h i n gf o c u si n t h ee m b e d d e df i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tm e t h o d o fe m b e d d e dl i n u x s y s t e m ，a n di m p l e m e n t s t h e h i g hs p e e d d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e m ad e s i g nm e t h o da b o u t h i g h - p e r f o r m a n c e a n d p o r t a b l e d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do np c i 0 4 i si n t r o d u c e di nt h ep a p e r m e a n w h i l e t h ep a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h es y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i d e a sa n dh o wt om a k et h e mb e c o m et r u e t h em o t h e r b o a r do ft h i sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi ss c m 7 0 2 0 b s a n da d t 6 5 2d a t aa c q u i s i t i o nc a r d i sc o n t r o l l e d b y t h em o t h e r b o a r dt h r o u g h p c i 0 4 - b u s a p p l i c a t i o n s o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hq t t h ef u n c t i o n so ft h i ss y s t e ma r ed a t a a c q u i s i t i o n ，r e a l t i m ec o m p u t i n ga l l ，w a v e f o r md i s p l a ya n de t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n i nd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ep c 1 0 4b u ss t r u c t u r e s f e a t u r e sa r em a d ef u l lu s eo f , f o ri n s t a n c es t a c k e dc o n n e c t ，c o m p a c t s t r u c t u r e ，h i 曲i n t e g r a t e dl e v e le t c t h i ss y s t e mi sm a i n l ya p p l i e di nt h ed e t e c t i o no ft h er o u n d i o np i l e s i nt h ep a p e r ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fr e f l e c t e dw a v em e t h o dd e t e c t i n gt h e f o u n d a t i o np i l e s ，t h ed e t e c t i n gt e c h n i q u ea n dp r o c e d u r e sa r ed e s c r i b e d a l s o ，t h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o da c c o r d i n gt ot h ei d e n t i f i c a t i o no f d e t e c t i o nw a v ea n dt h ej u d g m e n t a la n a l y s i si sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l eo fr e f l e c t e dw a v em e t h o d ，t h es o f t w a r es y s t e mt ow o r kf o rt h e h a r d w a r ei sd e v e l o p e da tl a s t k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，p c i 0 4b u s ，q t p r o g r a m m i n g ，f o u n d a t i o np i l e ，r e f l e c t e dw a v e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盗l _ l 日期：三竺琴，l 止 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 平l 嗍上牡 上忙l 日期：阜珲止 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据 采集，相应的系统则为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) m l 。数据采集技 术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工 作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基 础。信息社会的发展，在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性。数字 信号处理技术的整个面貌，而数据采集作为数字信号处理必不可少的前期工作在 整个数字系统中起到关键性、乃至决定性的作用，其应用已经深入到信号处理的 各个领域中。随着数字信号处理技术及各种故障分析技术的快速发展，在一些由 工控机构成的较大的采集系统，由于其体积较大，在某些场合已经不能满足人们 的需要。p c 1 0 4 系统模块以其体积小、功耗低、结构紧凑、集成度高、工作温 度范围宽、可扩展性强等特点，在信号采集和故障分析中得到了广泛的应用，本 文中就将其应用到桩基完整性检测系统中，并得取得良好的效果。 1 1 课题的背景 本课题源于北京东方振动和噪声技术研究所的课题，为了顺应市场发展的需 求和增加企业的核心竞争力，决定开发出便携式的数据采集系统，该系统主要用 于桩基完整性检测中。由于桩基检测过程中测试环境较为复杂，测试条件恶劣， 故要求数据采集系统体积小、实时性好、工作温度范围宽、可靠性高，能适应各 种恶劣自然条件，并具有高速数据采集的能力。与普通的数据采集系统相比，该 系统具有以下的特点： ( 1 ) 该系统要求更小的体积； ( 2 ) 快速、正确无误地采集大量的数据，并方便保存和实时显示结果； ( 3 ) 更高抗震性，能抗较高的冲击和振动； ( 4 ) 更宽的工作温度范围； ( 5 ) 具有更高的抗干扰电磁兼容性能； ( 6 ) 更具人性化的操作界面和更专业化的缺陷判别辅助系统。 1 2 发展现状 数据采集系统是一种具有现场记录、分析功能的设备或现场记录、离线分析 的机器、设备等状态数据功能的便携式分析仪器，主要应用于对设备进行状态监 北京邮电大学硕士学位论文 测和故障诊断等多种领域。早期的数据采集系统主要存在采样频率低和稳定性差 两方面缺陷【4 】。在桩基检测领域中同样也大量的使用数据采集技术，对数据进行 记录、波形显示和数据分析。 1 - 2 1 国外发展现状 随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展。目前 国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。从近来国外公司展示的新产品可 以看出，主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。此 外，数据采集仪的特点还反映在如下几个方面【5 】： ( 1 ) 它既是一台数据采集仪，又是一台功能较全的机器等设备的状态分析仪， 不仅有常用的时域分析和频域f f t 分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和 时频域分析等功能； ( 2 ) 它既是采集仪，又可以兼做其它仪器来使用。如法国迈威公司的 m o v i l o g 数据采集仪，就可以作为一台平衡仪来使用，它不但可以做单一平面 的动平衡，还可以做六个平面的动平衡； ( 3 ) 储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各 种检测范围需要； ( 4 ) 可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动 减速度、位移、相位、转速、温度、压力、流量、电压和功率等，形成参数检测 系统； ( 5 ) 数据采集仪配套的软件是以通用窗口软件为基础，功能较强。一套软件可 同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。 在桩基完整性检测领域中目前广泛应用的技术都以应力波理论为基础【倒。 d v i s a a c s 于1 9 3 1 年提出桩顶受到力锤冲击后，冲击能量以波动形式传到桩底， 并由桩底再传到桩顶，因此可用一维波动方程来描述，这种方法直观可靠 7 1 。1 9 3 8 年e n f o x 作了许多简化后，初步解决了用于打桩分析的波动方程的定解问题。 而e a s m i t h 于1 9 6 1 年发表“打桩分析的波动方程法 论文后，波动方程分析 方法才进入实用阶段。在这之后，许多学者和科研机构共同推动了波动理论在桩 基动测分析中的应用。其中2 0 世纪7 0 年代由c a s e 技术大学研制成功的c a s e 法 和由g g g o b l e 及f r a u s c h e 等人研制成功的c a p w a p c 程序，7 0 年代初由荷 兰实用技术研究院( t n o ) 建筑与结构研究所研究成功的t n o w a v e 程序及其用 于桩基完整性分析的信号拟合技术等为代表。桩基动力检测设备以荷兰实用技术 研究院的t n o 基础桩诊断系统和美国动力学公司的p a k 打桩分析仪、g c 型打 北京邮电大学硕士学位论文 桩分析仪等为代表。另外，如动力参数法、共振法、锤击贯入法、机械阻抗法、 水电效应法等动力检测方法也在工程上得到了应用1 8 j 。 目前国外市场上的桩基测试仪种类繁多，其中技术比较先进主要是美国p d i 公司生产的p i l ed y n a m i ca n a l y z e r ( p a l ) 引。该测试系统操作简单、界面 有好、稳定性强，但是美中不足的是其界面是基于d o s 图形界面所开发的黑白 操作界面，曲线显示模糊，不便于缺陷的分析和定位。 1 2 2 国内发展现状 上世纪8 0 年代末到9 0 年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器， 其中单通道的有s p 2 0 1 、s c 2 4 7 型，双通道的有e g 3 3 0 0 、y e 5 9 3 8 型，超小型的 有9 1 1 、9 2 0 和9 2 1 型。具有采集静态信号的有s m c 9 0 1 2 型，所配套的软件包 基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分，能够适应机器等设备的一 般状态监测和故障诊断，基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。 但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一 定的差距，主要表现在1 1 0 j ： ( 1 ) 由于受国内外振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些低速 的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难； ( 2 ) 由于数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强，在现 场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做，现场紧密诊断功能 较弱： ( 3 ) 设备的软件水平，仍在设备维修管理和基本频率分析上徘徊，机器故障诊 断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。 国内在桩基完整性检测技术的研究始于7 0 年代。在学习外国先进技术的基 础上，桩动测技术在我国得到了广泛的应用和发展，并研制出了一系列应用于实 际工程检测的动态测试系统【1 1 】。其中主要有： ( 1 ) 中国建筑科学研究院地基所研制的f e i 桩动测分析系统、d j 3 测桩仪； ( 2 ) 中国科学院武汉岩土力学所的r s m 系列测桩仪、f d p 2 0 4 测桩仪； ( 3 ) 武汉沿海公司研制的r s 系列测试系统； ( 4 ) 东南大学研制的p d a s 系统； ( 5 ) 北京东方振动和噪声技术研究所开发的d a s p p d b 桩基检测系统； ( 6 ) 南京航空航天大学研制的f m p 系统等。 这些测桩仪器大部分属于分体式结构，主要由三部分构成：采集仪、便携计 算机、电源。随着测桩技术要求的不断提高，此类桩基测试仪器显示出如下局限 北京邮电大学硕士学位论文 性： 系统整合性差，设备沉重，进出现场不方便； 集成度差造成现场连线繁琐，易产生接口故障； 功耗大、发热量高、可靠性差； 系统缺乏可扩充性； 测试软件接口不够有好。 1 3 本课题的研究内容 为了满足桩基完整性检测系统的要求，适应施工现场恶劣的工作环境，在系 统主要硬件的配置上，采用嵌入式p c 1 0 4 工业标准总线、s p t 7 0 2 0 b 系统主板、 与之配套的高速数据采集卡a d t 6 5 2 和固态电子硬盘。使硬件系统体积小、能抗 较高的冲击和振动，能抗更高电磁干扰的性能。在软件方面，操作系统选用嵌入 式l i n u x 操作系统，采用d m a 方式进行数据传送，一方面达到数据采集的高实 时性和高可靠性，另一方面又满足了系统小、易编程的要求。这些技术将在本文 中一一详细论述。 本论文章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景、意义、国内外研究现状等； 第二章介绍便携式数据采集系统主要硬件设备( p c 1 0 4 系统主板、数据采 集卡和存储器件) 的选型以及嵌入式l i n u x 操作系统的特点和优异性能； 第三章介绍了反射波法检测桩基完整性的基本原理、测试技术和方法，通过 对检测波形的识别与判断分析，阐述了反射波法在桩基完整性检测上的应用； 第四章详细介绍软件的研发过程。研发了一套配合数据采集仪器使用的数据 采集与数据分析软件系统。阐述了该软件的系统结构和各个模块的功能，从系统 设置到数据采集再到数据管理和数据分析，每个模块都做了详细的分析设计说 明。 第五章通过实例说明本套数据采集系统的具体应用和操作过程说明； 结论与展望，最后对该论文的工作做出了总结，并对将来的发展开展了一系 列的设想。 北京邮自学硬学位论文 第二章数据采集系统硬件与操作系统的选型 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关硬件和嵌入式软件组成是集软硬件于 一体的可独立工作“器件”。奉章将详细介绍嵌入式数据采集系统的硬件环境。 丰要介绍系统的丰要部件p c ，1 0 4 系统丰板、高速数据采集卡等设备的选型。 2 1p c 1 0 4 总线简介 在硬件与软件上，p c 1 0 4 与标准台式p c ( p c a t ) 体系结构完全兼容，但在 形态上，p c 1 0 4 是十分紧凑( 9 0 x 9 6 m m ) 、自栈式、模块化结构。其实，p c 1 0 4 模块早在1 9 8 7 年就出现了，但直到1 9 9 2 年初几家嵌入式专业厂商联合发表了 p c 1 0 4 的规格说明并成立了p c 1 0 4 协会 算机技术的快速发展，计算机价格的下降 人们对p c 1 0 4 的兴趣这才猛涨。随着计 以便携式计算机为核心设计出性能优 越的一起，可最大限度的简化硬件电路、降低成本、提高系统性能1 1 3 i 。 1 9 9 2 年，i e e e 微计算机及微处理器标准机构组成了一个工作组，讨论一个基 于p c 1 0 4 的p c ，a t 总线的较小尺寸版本的标准基本依照当时p c 1 0 4 规格产生了 i e e e “p 9 9 61 ”标准草案，并得到了虽终批准，如图2 - 1 为栈接的p c 1 0 4 实物图。 图2 - 1 栈接的p c 1 0 4 模央 p c j l 0 4 与普通p c 的差异主要都是结构上的软件方面投有分别，这里总结了 p c 1 0 4 规格的内容： ( 1 ) 微型尺寸 代以通常p c 或p c a t 扩展昔的尺寸( 1 2 - 5 x 4 8 英寸) ，p c 1 0 4 模块的尺寸是 匕京电 学硬学位论女 35 5 0 x 37 7 5 英寸，有两种总线形式分别适用于8 位和1 6 位模块，但它不象台式p c 的8 位和1 6 位扩展卡两种形式的p c 1 0 4 模块具有相同尺寸，图2 2 所示是1 6 位 p c 1 0 4 模块的基本外形尺寸若是8 位的，只须省略去p 2 j 2 连接器。 oo 图2 - 21 6 位p c 1 0 4 模块基本机械尺寸 ( z ) 曼接式总线 为减小复杂度，降低成本，减小通常母板、背板、卡架等占用的空间p c 1 0 4 采爿j 了独特的“自栈武”总线连接器，多块模块可直接栈接( 如图2 - 3 ) ，栈接模 块间距06 英寸( 1 5 厘米) ，模块间由金属或尼龙的支撑紧固件逐个牢固连接。 囤2 - 3p c 1 0 4 模堤栈 ( 3 ) 针座连接器 坚固可靠的“芯和4 0 芯阴阳接头代替了标准p c 的6 2 点及3 6 点( p 1p 2 ) 金于指总线连接嚣，p c 1 0 4 总线连接采用的是触点镀金的、中心间距为0 1 英寸的 针座连接器。 耋 北京邮电大学硕士学位论文 2 2p c 1 0 4 主板选型 本课题选用了盛博科技的s c m 7 0 2 0 b ( p c 1 0 4 模块) 。盛博科技推出的高品质 的嵌入式p c 模块被广泛地应用于各种高可靠的智能设备中。 s c m 7 0 2 0 b ( p c 1 0 4 模块) 是一种高度集成、自栈接构、m m p c ，a t 兼容的 p c 1 0 4c p u 模块。它被设计成可方便与其它周边设备及模块构成完整系统的核心部 件，它不仅包含了一般p c a t 机的母板、1 - 一2 块扩展板的功能，更为嵌入式控制 扩展了特有功能。超小尺寸、单+ 5 v 供电、宽工作温度范围，这都使得s c m 7 0 2 0 b 可独立作为一台p c a t 引擎，或与其它p c 1 0 4 模块一起构成嵌入式和便携式应用 的理想方案。 2 2 1 系统主板的性能特点 s c m 7 0 2 0 b 是功能强大的系统主板，其主要性能特点如下： x 8 6 兼容6 4 位微处理器，支持m m x 喇指令集扩展，速度高达3 0 0 m h z s v g a 显示接口支持c r t 及n 吓 最大4 m 共享显存，最大分辨率可达1 2 8 0 1 0 2 4 ，1 6 7 0 万种颜色 在板内存最大可达1 2 8 m 1 6 k bl 1 回写缓存 支持p s 2 键盘及鼠标 支持软驱、i d e 硬盘 在板d o c 插座，支持高达1 g bd o c 两串一并接口 两个u s b l 1 接口 两个1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口 a c 9 7 兼容音频接口( 可选) 1 6 位p c 1 0 4 总线 p c 1 0 4 兼容 2 2 2 系统主板技的术规格 c x 5 5 3 0 a t m 是一个p c i t o i s a 桥( 南桥) ，a c p i 兼容的芯片组，提供枷s a 功能。s c m 7 0 2 0 b 模块提供一个完美的电源管理功能，是系统达到深层“绿色节能 。 集成度总线主e i d e 控制器支持两个a t a 兼容的设备。u s b 接口提供高速、即插 北京邮电大学碗学位论文 即用的用户外设链接( 如数码设备等) 。 图2 _ 4 为系统丰板机械尺寸及跳线圈( 单位为英寸) 图2 4 机械足寸及跳线圈( 单住：美寸 在板芯片组主要特征直下： x 8 6 兼容井支持m m x t m 指令集扩展 完全2 d 图形加速 同步存储接口 1 s a 接口 u l t r a d m a 3 3 ( a t a - 4 ) 支持 e i d e 接口 u s b 接口 完全v g a 及v e s a 视频支持 该系统板的主要物理特性如下： 尺寸：9 0 9 6 1 5 r a m 电源要求：+ 5 v 5 工作环境：s 型；0 c 7 0 c ；n 型；- 2 5 c + 7 5 5 9 5 相对湿度 存储温度：- 5 5 + 8 5 北京邮电大学硕士学位论文 2 3 数据采集卡的选型 本文采用深圳盛博科技公司的专业数据采集模块a d t 6 5 2 ，该数据采集卡是该 公司高速度、高性能的、比较成熟的一款产品。a d t 6 5 2 是基于p c 1 0 4 系统主板的 扩展板，其主要功能是数据采集。通过其p c i 0 4 总线可将其与p c 1 0 4 嵌入式系统 构成一个高性能的数据采集与控制系统。适用于结构紧凑、高可靠的嵌入式应用。 a d t 6 5 2 模块主要由a d 、d a 、定时器计数器、数字量i o 四个电路部分组成。 主要电路模块如图2 - 5 所示。模块的特点是【1 4 l ： 模拟量输入 1 6 单端8 差分输入 1 2 位分辨率 1 0 0 l ( 】舷最大a d 采样率 量程0 一+ 1 0 v ，“5 v ，+ - 1 0 v ，可选择双极性或单极性输入 1 ，2 ，4 ，8 倍可编程增益 1 0 2 4 数据深度f i f o 缓存 触发方式：软件、外部t t l 、定时器 数据传输：查询、中断、d m a 模拟量输出 4 通道输出 1 2 位分辨率 - 5 一+ 5 v ，1 0 一+ 1 0 v ，0 5 v ，0 1 0 v 量程 数字输入输出 8 2 c 5 5 可编程外围接口( p p i ) 2 4 通道删c o m s 兼容f o 所有的i o 带有上拉电阻 所有的v o 经过7 4 h c 1 2 4 5 驱动 可编程定时器计数器 6 通道1 6 位可编程定时器计数器( 8 2 c 5 4 ) 在板1 0 m h z 时钟 计数器定时器可选时钟源( 内部或外部) ，可级联 # 自自太# 位论女 i ；l i i il l l l 雏 i 图2 4 采集卡的原理图 2 4 硬件部分的集成设计 p c 1 0 4 总线数据采集仅的硬件部分的集成设计，其中主要包括p c 1 0 4 总线系统 主板和p c 1 0 4 数据采集卡的集成连接，以及采集仪主板其它接口器件的连接。 p c 1 0 4 总线系统采用紧固堆叠方式安装数据采集卡和系统主板是堆叠方式安装， 有利于设计较高密度、小体积便携式数据采集仪。本系统的p c 1 0 4 总线数据采集仪 的结构如图2 - 6 所示。 图2 4 5 敷据采集系统硬件逻辑蛄构圉 ，臻鏖叁豳 鑫一垮 。需 百卜鬲 北京邮电大学硕士学位论文 2 5 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 有开放的源代码、高效稳定的内核、良好的开发环境以及支持多种硬 件平台等特点，而且由于l i n u x 的可配置性和模块化，一个l i n u x 内核经过裁剪 可以只占用几百k 的存储空间，使其在嵌入式系统中也得到了广泛应用。 2 5 1 常见的嵌入式操作系统 国际上嵌入式操作系统有4 0 种左右【1 5 】。现在，市场上非常流行的产品是包 括3 c o r n 公司下属子公司的p a l mo s ，m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 、开放源代 码的l i n u x 。 ( 1 ) p a l mo s p a l mo s 是3 c o r n 公司的产品，其操作系统为p a l mo s 。p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统。p a l m 提供了串行通信接口和红外线传输接口，利用它可 以方便地与其它外部设备通信、传输数据；拥有开放的o s 应用程序接口，开发 商可根据需要自行开发所需的应用程序。p a l mo s 是一套具有很强开放性的系 统，现在有大约数千种专用为p a l mo s 编写的应用程序，从程序内容上看，小到 个人管理、游戏，大到行业解决方案，p a l mo s 无所不包。在丰富的软件支持下， 基于p a l mo s 的掌上电脑功能得以不断扩展。 ( 2 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是微软开发的一个开放的，可升级的3 2 位嵌入式操作系统， 是基于掌上型电脑类的电子设备操作。它是精简的w i n d o w s 9 5 。w i n d o w sc e 的 图形用户界面相当出色。其中c e 中的c 代表袖珍( c o m p a c t ) 、消费( c o n s u m e r ) 、 通信能力( c o n n e c t i v i t y ) 和伴侣( c o m p a n i o n ) ；e 代表电子产品( e l e c t r o n i c s ) 。 与w i n d o w s9 5 i 9 8 、w i n d o w sn t 不同的是，w i n d o w sc e 是所有源代码全部由微 软自行开发的嵌入式新型操作系统，其操作界面虽然源于w i n d o w s9 5 9 8 ，但 w i n d o w sc e 是基于w i n 3 2a p i 重新开发的、新型的信息设备平台。w i n d o w sc e 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。 w i n d o w sc e 不仅继承了传统的w i n d o w s 图形界面，并且在w i n d o w sc e 平台上 可以使用w i n d o w s9 5 ；9 8 上的编程工具( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等) 、使用 同样的函数、使用同样的界面网格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移 植就可在w i n d o w sc e 平台上继续使用。 w i n d o w sc e 的设计目标是：模块化及可伸缩性、实时性能好，通信能力强 大，支持多种c p u 。它的设计可以满足多种设备的需要，这些设备包括了工业 北京邮电大学硕士学位论文 控制器、通信集线器以及销售终端之类的企业设备，还有照相机、电话和家用娱 乐器材之类的消费产品。一个典型的基于w i n d o w sc e 的嵌入系统通常为某个特 定的用途而设计，并在不联机的情况下工作。它要求所使用的操作系统体积较小， 内建有对中断的响应功能。 ( 3 ) l i n u x l i n u x 是一个类似于u n i x 的操作系统。它源于芬兰一个名为l i n u st o r v a l d s 的业余爱好，但是现在已经是最为流行的一款开放源代码的操作系统。l i n u x 从 1 9 9 1 年问世到现在，短短1 0 多年的时间内已发展成为一个功能强大、设计完善 的操作系统，伴随网络技术进步而发展起来的l i n u xo s 已成为m i c r o s o f t 公司的 d o s 和w i n d o w s 的强劲对手。l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，还在嵌入式 系统方面大放光芒，在各种嵌入式l i n u xo s 迅速发展的状况下，l i n u xo s 逐渐 形成了可与w i n d o w sc e 等e o s 进行抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统 中，4 9 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统【1 6 】。l i n u x 现已成为嵌入式操作 的理想选择。 2 5 2 嵌入式l i n u x 操作系统的特点 l i n u x 是u n i x 的克隆，在运行特性上与u n i x 相似。许多在l i n u x 上运行的 程序也都是重新编写的，但是也有大量的软件只是简单的从其它操作系统，尤其 是u n i x 和类u n i x 操作系统上移植而来的。更重要的是，l i n u x 是一个符合p o s i x 规范的操作系统。p o s i x 是由电子和电气工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e s ，i e e e ) 提出的一系列标准，用于定义一个可移植的操作系 统接口。 嵌入式l i n u x 操作系统的特点如下： ( 1 ) 开放性 开放性是指系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互联( o s i ) 国际 标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地实现互连。 ( 2 ) 多用户 多用户是指系统资源可以被不同用户各自拥有使用，即每个用户对自己的资 源( 例如：文件、设备等) 有特定的权限，互不影响。l i n u x 和u n i x 都具有多 用户的特性。 ( 3 ) 多任务 多任务是现代计算机的最主要的一个特点。它是指计算机同时执行多个程 序，而且各个程序的运行互相独立。l i n u x 系统调度每一个进程平等地访问微处 理器。由于c p u 的处理速度非常快，其结果是启动的应用程序看起来好像在并 北京邮电大学硕士学位论文 行运行。事实上，从处理器执行一个应用程序中的一组指令到l i n u x 调度微处理 器再次运行这个程序之间只有很短的时间延迟，用户是感觉不出来的。 ( 4 ) 良好的用户界面 l i n u x 向用户提供了两种界面：用户界面和系统调用。l i n u x 的传统用户界 面是基于文本的命令行界面，即s h e l l ，它既可以联机使用，又可存在文件上脱 机使用。s h e l l 有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用 户扩从系统功能提供了更高级的手段。可编程s h e l l 是指多条命令组合在一起， 形成一个s h e l l 程序，这个程序可以单独运行，也可以与其它程序同时运行。 ( 5 ) 设备独立性 设备独立性是指操作系统把所有外部设备统一当作文件来看待，只要安装他 们的驱动程序，任何用户都可以像使用文件一样操纵、使用这些设备，而不必知 道它们的具体存在形式。l i n u x 是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高 度适应能力，随着更多的程序员加入l i n u x 编程，会有更多硬件设备加入到各种 l i n u x 内核和发行版本中。另外，由于用户可以免费得到l i n u x 的内核源代码， 因此，用户可以修改内核源代码，以便适应新增加的外部设备。 ( 6 ) 丰富的网络功能 完善的内置网络是l i n u x 的一大特点。l i n u x 在通信和网络功能方面优于其 它操作系统。其它操作系统不包含如此紧密地和内核结合在一起的链接网络的能 力，也没有内置这些联网特性的灵活。而l i n u x 为用户提供了完善的、强大的网 络功能，包括支持i n t e r n e t 、文件传输和远程访问等。 ( 7 ) 安全性 l i n u x 采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子 系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全 保障。 ( 8 ) 移植性 可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能按其自 身的方式运行的能力。 l i n u x 操作系统的一种重要应用就是嵌入式l i n u x 。 嵌入式l i n u x 是经过小型化裁减与定制，占用几k 到几m 内存，无需复杂 外围设备支持运行，应用于各种特定嵌入式环境的操作系统。嵌入式l i n u x 是根 据目标系统的设计要求而设计，由一个体积很小的内核和可裁减系统模块、系统 软件组成。 嵌入式l i n u x 实际上是一个操作系统平台，基于这个平台实现的嵌入式系统 可以满足开发人员的研发需要并运行特定的应用系统。 北京邮电大学硕士学位论文 现在已经有了许多嵌入式l i n u x 系统，比如：e t l i n u x 、l l c l i n u x 、l a l i n u x 、 t h i n l i n u x 等，最小的嵌入式l i n u x 系统仅需要3 个基本元素：引导实用程序； l i n u x 微内核，由内存管理、进程管理、进程管理和定时服务构成；初始化过程。 要实现最低度的工作能力，在嵌入式l i n u x 基础上还需要添；o h - 硬件驱动程序， 一个或多个应用进程，以便提供所需要的功能。由于l i n u x 自由操作系统的出 现，特别是嵌入式系统和l i n u x 有机结合起来的嵌入式l i n u x ，给我们提供了开 发嵌入式系统最新应用技术难得的机遇，它将在机顶盒、掌上电脑或p d a 、手 机网络、车载系统、工业控制等方面有着广泛地应用。虽然这三种嵌入式操作系 统各自有不同的特点，不同的用途，但l i n u x 比p a l mo s 和w i n d o w sc e 更 小、更稳定，而且l i n u x 是开发的操作系统，在价格上极具竞争力。这也是本 课题选择l i n u x 作为嵌入式操作系统的原因之一。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章反射波法在桩基完整性检测中的应用原理 本章主要介绍了桩基完整性检测中的常用方法，具体介绍了反射波法的基本 原理、测试技术和方法，通过对检测波形的识别与判断分析，详细阐述了反射波 法在桩基完整性检测上的应用，从而为检测系统的设计打下良好理论基础。 3 1 桩基检测的主要方法 目前桩基检测的主要方法有高应变法、低应变法、声波透射法等几种。低应 变法中又分为反射波法、机械阻抗法、动力参数法等。其中反射波法应用最为广 泛。在1 9 9 4 年进行的全国动测单位资质考核中，低应变法测桩身质量的单位中， 有9 4 的单位用反射波法。论文中采用的是反射波法，反射波法是一种低应变 测桩方法，它是在桩头瞬态激振的情况下，通过测量桩顶的速度响应，分析桩体 中弹性波传播的波形变化特征来评判桩身质量和有无缺陷存在。下面简要介绍各 种方法的实现过程： ( 1 ) 高应变法 高应变法是采用重量约为单桩极限承载力1 的铸钢或铸铁重锤，在距桩顶 1 o m - - ，2 o m 处自由落下，给桩顶施加竖向冲击载荷，从而使桩、土之间产生一 定的塑性位移，桩侧和桩尖土阻力得到一定程度的发挥，在桩顶测量到的桩、土 响应信号包含有承载力因素。 ( 2 ) 低应变法 低应变法是采用5 磅 - - - 1 2 磅的小锤或落锤直接敲击或撞击桩顶，从而使桩 身产生应力波，通过应力波在桩身中的传播和反射原理，对桩身结构完整性进行 评价，也可根据振动理论间接对桩的承载力进行推断。 ( 3 ) 声波透射法 声波透射法是在桩身中预埋测管( 钢管或塑料管) ，管的下口封死，测试时 管内充满清水或机油作为偶合剂，两管内分别放入声波发射和接收探头，两探头 置于同一水平面或保持一定高度差，测管两探头同时提升或下降，声波在有缺陷 的混凝土中传播时，波幅减小，声时加大( 波速降低) ，波形畸变。根据这些特 性，便可判定桩身中缺陷的性质和位置。 3 2 反射波法原理及理论波形 反射波法的基本原理是用力锤敲击桩顶，给桩施加一定的能量，使桩中产生 北京邮电大学硕士学位论文 力波，利用特定的仪器设备在桩顶接收、检测和分析应力波在桩体中的传播历程， 便可分析出桩基的完整性。捶击反射波法测试框图如图3 - 1 所剥1 刀。 图3 1 桩基质量检测示意图 反射波法是利用波在桩体中的传播符合波动理论，利用波动理论推导出波动 方程，进而对波动方程求解，就可以解决工程问题。但是，利用波动理论推导出 的波在桩体中传播的波动方程是三维方程，很难求解。在实际工程中，由于埋设 于地下的桩的长度要远远大于其直径，该方法假定桩为连续弹性的一维均质杆 件，并且不考虑桩周土体对沿桩身传播的应力波的影响，桩的典型弹性体振动模 型是直杆的纵向振动，即可用一维波动理论来描述杆的波动问题，并作了以下假 定： 材料均质； 直杆等截面； 直杆变形中横截面保持为水平面，且彼此平行； 直杆横截面上应力分布均匀； 忽略直杆的横向惯性效应。 在以上假定的基础上，弹性波沿桩身向下传播并且满足一维波动方程式3 - 1 与式3 2 ： a2 “ ， a2比(3一1) 矿t 。c 。矿xa a 。 ，e c - 一 p 其中：h 1 方向位移，m c 桩身纵波平均波速，m s e 桩身材料的弹性模量，n m 2 p 反射波到达时间，s ( 3 - 2 ) 北京邮电大学硕士学位论文 桩身混凝土中纵波波速及缺陷位置可按式3 3 计算： 。丝(3-3)c f 其中：c 桩身纵波平均波速，m s 桩长( 缺陷位置) ，m p 反射波到达时间，s 按照一维波动方程并结合桩型特点，检测仪器可给出桩身弹性波传播过程中 的速度波形曲线，根据这些波形曲线，即可判定桩身质量。 图3 2 到图3 4 是三种典型模型桩的速度波形理论曲线图，它们分别代表了 完整桩、局部缩颈桩和局部扩颈桩。 如图3 2 所示，如果桩身完整( 即完整桩) ，多次反射波的反射曲线与入射波 同向，各次反射曲线之间的距离同首次反射到入射波之间的距离相等。若遇缩颈 桩( 见图3 3 ) ，从其理论曲线看，它的首次反射波主要由两部分组成，先是一个 与入射波同向位的反射波，接着是一个与入射波反向位的反射波。图3 4 是扩颈 桩的理论曲线，它的首次反射也是由两部分组成先