（计算机应用技术专业论文）井下锚杆测距仪的开发与研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 井下锚杆测距仪的开发与研究 计算机应用技术 辛华 秋兴国 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着现代科学技术的迅猛发展和生产水平的提高，各种监测技术己越来越广泛地应 用于各种工程领域和科研中，测试技术水平的高低越来越成为衡量国家科技现代化的重 要标志之一。井下监测是煤巷锚杆支护技术的重要组成部分。锚杆支护的巷道顶板事故 往往具有突发性，没有明显征兆；冒落范围大，对工人的人身安全和矿井正常生产威胁 大。解决这些问题除了不断完善支护设计，加强施工质量管理，更需要采用科学的手段， 对巷道的稳定性、安全性进行监测，提前采用防治措施，避免灾害。 本文研究基于a r m 单片机的锚杆监测系统，重点进行了系统软硬件的设计和实现。 论文的主要工作和研究成果包括以下几个方面： 1 、通过对反射波法监测技术的理论分析，结合瞬态高精度数据采集系统的性能特 点，提出了监测系统的性能指标和瞬态高精度数据采集系统的实现方法。根据系统的技 术指标和功能要求，利用5 3 c e b 2 4 1 0 开发板完成高精度数据采集处理作为监测系统的 整体方案。 2 、系统整体结构分为采集单元和处理单元两部分。通过对浮点放大技术、超前触 发技术、两级采样流水线等关键技术的研究，实现了数据采集单元的硬件设计。根据系 统对处理单元的要求，设计了松耦合的处理子模块、外围连接模块和通讯接口。最后对 整个高精度实时数据采集处理系统进行了调试。 3 、本文论述了系统软件的开发流程和调试方法。在q u a r t u s 环境中，实现瞬态高精 度数据采集的逻辑控制。 4 、完成了系统的整机调试和性能测试。 关键词：锚杆；无损监测；振动声透法；浮点放大技术 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：b o l tu n d e r g r o u n dd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fd m e s p e c i a l t y ：c o mp u t e ra p p l i c a t i o nt e c hn o l o g y n a m e：x i nh h a i n s t r u c t o r ：q i ux i n g g u o a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) f 致c t h ed e s i g nm e t h o d sa n dr e a l i z a t i o na b o u tp i l ei n t e g r i t yt e s t i n gs y s t e mb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep r o j e c t so ft h es y s t e ma r es p e c i a l l ys t u d i e d t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t sa l es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep i p ei n t e g r i t yt e s t e ra n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o d so f l l i g hp r e c i s i o nd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma r es t u d i e dd e e p l y 、7 l ，i mt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e m ，t h r o u g ht h ea n a l y s i st ot h eb a c ks t r e s sw a v et h e o r yt h a ti su s e dt ot e s t i n gt h ep i l e i n t e g r i t ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f t e c h n i c a ld e m a n da n df u n c t i o nr e a l i z i n g ，ah o l i s t i c p r o j e c ta b o u td a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i sb a s e do nt h ep l a t f o r mo f 5 3 c e b 2 4 1 0 1 5p r o v i d e d t h et e s t i n gs y s t e mi sm a d eu po ft h ec o l l e c t i o nu n i ta n dt h ep r o c e s s i n gu n i t b a s e d o nt h e k e yt e c h n o l o g i e s s u c ha sd y n a m i cm a g n i f 3 rt e c h n o l o g y , a d v a n c et r i g g e r t e c h n o l o g y ，t w os t a g ep i p e l i n et e c h n o l o g y , d a t ac o l l e c t i o nu n i ti sr e a l i z e d o nt h ed e m a n do f t h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t ，l o o s e - c o u p l i n gp r o c e s s i n gu n i ti s d e s i g n e d i nt h ee n d ，e a c h f u n c t i o nm o d u l eo ft h et e s t i n gs y s t e mi sd e b u g g e d s o f t w a r ed e s i g n ，d e b u gm e t h o d sa n ds o f t w a r ed e v e l o p i n gf l o wa r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r ，w h i c hi sd i v e di n t ot w op a r t s o n ei sd a t ac o l l e c t i o ns o f t w a r et h a ti sd e v e l o p e di nt h e q u a r t u se n v i r o n m e n t ，t h eo t h e ro n ei s d a t a p r o c e s s s o f t w a r et h a ti sr e a l i z e di nt h e e m b e s t i d ee n v i r o n m e n ta n db a s e do nt h ep l a t f o r mo f $ 3 c e b 2 410 d e b u g g i n ga n dt e s t i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i co f t h ew h o l es y s t e mi sa c c o m p l i s h e d k e yw o r d s ：b o l t v i b r a t i o nm o n i t o r i n gb a c ks t r e s sw a v e d y n a m i cm a g n i f 3 ， t e c h n o l o g y t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻柳技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊佯日期：& 矽z 多乡 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适 学位论文作者签名： 指导教师签名：亏孑哆z 乏f 匆 川年6 白多日 栅凭1 耋 、么讶 1 绪论 1 1 理论研究与发展现状 1 绪论 1 1 1 可靠性理论研究发展过程 随着社会的只益信息化，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) p , 经渗透到各个应用领域到 m p 3 ，掌上系统( p d a ) 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、车载电子设等。 目前，各种各样的嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。单片机、单板机 控制系统以及一些专用的工业控制计算机都可以称作嵌入式系统，它是嵌入式系统领域 的重要组成部分，只是更着重于对各自硬件系统的研究。嵌入式系统更着重于对软件系 统进行研究，顺应了软硬件协同设计以及应用需求的发展。目前，嵌入式系统己逐步发 展成为一门学科，朝着系统化和规范化的方面发展。嵌入式系统学科和产业的发展使得 设计人员能够从容地面对越来越复杂的应用需求，通过软件和硬件的模块化设计大大地 简化和加快应用系统的开发。 声透监测系统的工作原理主要由声波发射装置、程控放大、数据采集及传输、电 源管理和换能器六大部分组成。开始测试后，自动测杆系统主机与控制器通讯，自动测 杆系统主机发送用户设置的测点间距信息给提升装置控制器，高压发射电路在主机控制 下，产生高压脉冲，通过发射换能器转换为声波信号并传入被测介质，接收换能器接收 通过被测介质的声波信号并转换为电信号，受主机控制的程控放大系统对接收的电信号 作自动增益调整达到设定状态，经数据采集转换为数字信号，并将其高速地送入主机系 统，然后在主机系统的软件控制下进行波形显示、声参量的判读，当换能器提升到测点 时，提升装置控制器通知自动监测仪主机进行信号的声参量和波形存储，测试完成后对 所存储的声参量进行后续分析软件处理即可得出锚杆是否存在缺陷。整个工作过程操作 简便。 该声透法锚杆监测系统，经实践证实，具有下列特点： 声透法锚杆监测系统可手工连续提升换能器，同时自动记录高程，实现自动连续 信号采集； 可实时动态显示接收的波形，并且可以自动判读、存储声参量； 在测试过程中，锚杆监测系统可在大动态信号范围的实时自动调整波形，提高自 动判读的准确性； 西安科技大学硕士学位论文 还可对个别严重异常测点，自动报警，由检测人员察看后，人工调整波形，确保 得到充分信息； 最小检测点距可以达n l c m ，这样可以减少对杆身缺陷的漏判； 可以交直流供电，直流连续工作时间不小于1 0 个小时； 与原来的手工点测相比，不但操作简便，而且缩短了现场工作时间，降低了劳动 强度； 声透法自动监测系统可以将数据上传到p c 机，由机外处理软件数据进行处理、 分析、打印、直接形成w o r d 文档报告等。 1 1 2 目前主要研究内容 随着现代科学技术的迅猛发展和生产水平的提高，各种监测技术已越来越广泛地应 用于各种工程领域和科研中，测试技术水平的高低越来越成为衡量国家科技现代化的重 要标志之一。 其中井下监测是煤巷锚杆支护技术的重要组成部分。锚杆支护的巷道顶板事故往往 具有突发性，没有明显征兆；冒落范围大，对工人的人身安全和矿井正常生产威胁大。 解决这些问题除了不断完善支护设计，加强施工质量管理，更需要采用科学的手段，对 巷道的稳定性、安全性进行监测，提i j 采用防治措施，避免灾害。同时，工程监测也是锚 杆支护机理研究、支护设计参数校正的重要手段锚杆支护初始设计实施于井下后，对围 岩变形状况，锚杆( 索) 受力分布和大小进行全方位监测，以获得支护体和围岩的位移和 应力信息，从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性，巷道围岩的稳定程度和安全 性。进而根据监测信息，修改初始设计，使其逐步趋于合理。锚杆支护的作用在于加大 巷道围岩的围压，从而提高围岩的强度以保持其稳定性。我国矿井锚杆支护设计多以经 验方法为主，原始资料较少，考虑问题相对简单，设计结果可靠程度不高，很难满足生 产上的要求。为提高巷道锚杆支护设计的合理性与可靠性，以保证施工质量，应该建立 完善的监测系统，采用先进的监测技术、科学的分析方法和专家系统进行综合分析、处 理，使锚支护设计科学化、系统化和规范化。 锚杆支护技术【1 1 是目前巷道支护中的先进技术，它与传统的棚式支护相比具有显著 的技术及经济优越性，现已发展成为世界矿井巷道以及其它地下工程支护的一种主要支 护形式。近年来，随着锚杆支护理论、设计方法、锚杆材料、施工机具、监测手段等技术 的不断完善，煤巷锚杆支护技术在我国的应用已得到了迅速发展，且发展潜力很大，但锚杆 支护质量的检测一直没有得到很好的解决。巷道围岩活动的主要表现是顶板离层、下沉、 冒落、两帮片帮、滑落、底板鼓起等【2 1 。由于锚杆支护巷道围岩活动状况的隐蔽性，围岩 的破坏失稳一般没有明显的预兆，不易被人们察觉，破坏往往具有突发性。巷道顶板一旦 发生冒顶，并且多数情况下规模较大，其危害性较为严重，巷道两帮的失稳造成煤帮大面积 2 1 绪论 滑落，也易于诱使顶板冒落【3 】。因此，所有采用锚杆支护的煤巷都应该进行日常巷道矿压与 支护监测。其目的：一是井下作业人员可随时观测巷道围岩活动情况，一旦发现异常，可及 时采取措施，保证安全生产；二是可通过监测获得围岩稳定状况的信息，为修改、完善设 计提供依据。经研究分析，与巷道两帮围岩稳定有关的监控指标主要有巷道表面收敛、围 岩深部位移、锚杆受力；与巷道项板稳定有关的监控内容有顶板下沉量、锚固区内外的 离层值、围岩深部位移、锚杆受力及其分布状况等【4 1 。 1 2 国内外动态与趋势 1 2 1 国际方面 煤矿顶板岩层一般为典型的层状结构，顶板岩层之间的离层往往预示着顶板失稳破 坏的开始。在煤矿巷道顶板支护中，往往把离层大小作为对顶板支护效果的好坏。因此， 对离层的研究引起国内外学者的高度重视，如b k h e b b l ew h i t e 和t l u l l l 5 1 对综采顺槽软 顶板的离层进行监测，为顺槽稳定性加固设计提供基础：a y a s s i e n l 6 1 等等通过顺槽顶板 离层的监测，评价全长锚固加固效果。由于采空区大面积失稳冒落时往往给开采带来很 大威胁，并严禁工作人员进入采空区作业对顶板稳定性进行监测。 1 9 7 8 年，瑞典的h f t h u r n e r 提出用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法，并试制了 b o l t m e t e r 检测仪。该方法主要有两个问题：一是采用超声波衰减严重，只能对短锚杆，而 且锚固介质单一的锚杆适用；二是对锚杆端头要求苛刻，即在现场要对锚杆端头重新机 械加工打磨平整，压电晶体才能将超声波发射耦合进入杆体。 上世纪8 0 年代末，美国矿业局研制了一种顶板锚杆粘结力测定仪。它也是根据发射和 接收超声波的原理来设计的英国伦敦大学的m d b e a r d 博士等人利用导向超声波来对锚 杆进行检测，通过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线进行分析，并综合考虑 围岩岩石模量、环氧层模量及厚度、锚固质量等因素对测试结果的影响，得到了在高频 和低频时最为理想的超声波激振频率，且研制了专门的激振传感器。在低频时，宜采用 4 0 k h z 脉冲进行检测；在高频时，2 m h z 是一个比较理想的激振频率。在实际中，采用高 频和低频相结合的方法，且通常只能对3 0 m 以内的锚杆进行监测。 1 2 2 国内方面 我国从1 9 5 6 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至今已有4 0 余年的历史。我国十分 重视锚杆监测，取得了很多成果，并一直大力推广两种监测仪器：一是顶板离层指示仪，测 定锚杆锚固范围内及锚固范围外的离层情况，对顶板出现冒落危险及时报警，以杜绝顶板 事故；二是非破坏性测定锚杆锚固力。刘长武、鞠文君【7 1 、张文军f 8 】和孔恒等1 9 l 研究锚网 巷道、锚网锚索联合支护巷道的顶板离层的机制，并对顶板离层与锚固系统的变形协调 3 西安科技大学硕士学位论文 条件及离层临界值等进行了大量研究有损检测法。 传统的锚杆锚固状态的检测手段，主要依靠对锚杆的抗拔力测试，就是通过拉力计或 扭力扳对锚杆施加拉力，直到锚杆达到设计要求或锚松动为止。虽然此法具有直观可靠的 优点，但是它费工费时，并且会对经锚杆加的岩体产生较强的扰动，拉拔过程中会破坏锚 固体系的原始受力状态，降低了锚杆对围岩的加固作用，因而仅限于个别抽查，不能用于 大面积测试。目前，工程界常用的方法有“拉拔法”和“钻孔法”，这两种方法都具有破坏性， 操作麻烦，费用昂贵，更重要的是，这种有损检测手段对经锚杆加固的巷道产生较强的扰 动，降低了锚杆对围岩的加固作用，检测过程对于软岩或较破碎岩层的整体稳定性极为不 利，仅限于抽查。因此，对锚杆支护质量无损检测技术的研究是当今矿业和岩土工程界一 个急需解决的课题。 无损检测【1 0 。1 4 】又称非破坏检测，它区别于破坏性检测( 如拉拔试验) 的根本特征就是： 在不破坏材料或产品的形状和性能的前提下，进行缺陷探测和性能测定，显然无损检测是 锚杆支护质量监测的发展方向。目前无损测力锚杆在我国煤矿上使用较广泛，测力锚杆是 一种具有特殊结构的锚杆，并作为普通锚杆安装在巷道中，它是利用不同测量原理对个别 锚杆( 测量锚杆) 的受力进行检测。由于测力锚杆的制造成本相对较高，不可能把每根锚 杆都制作做成测力锚杆，因而它不能用于锚杆受力的普遍检测。近年来，随着波动理论在 岩土工程中的深入应用，桩基测试法的广泛推广使用，很多学者试图用类似的方法解决煤 巷锚杆支护工程质量检测问题。利用声频应力波( 简称声波) 快速检测锚杆锚固状态是近 年来研究的热点，其基本测试原理：在锚杆外露的端头，利用传感器激发高频高能量声波， 同时接收锚杆体内的反射信息。利用声波在一维杆状体内传播的运动学与动力学规律， 进行波谱分析和能量衰减分析，快速检测与分析锚杆长度、锚固状态( 或砂浆饱满度) ，声 频应力波法把锚杆支护监测技术提高到一个新的水平。 1 2 3 目前研究水平 声波探测【1 5 j 等技术可用于监测顶板稳定性，近年来，以波动应力理论为基础的锚杆 监测技术已获得广泛应用。它的基本原理是锚杆顶受到锤冲击后，根据锚杆项测力和加 速度数据分析锚杆的完整性。基于此种方法的监测设备轻便、灵活，运输和现场安装的 工作量小，测量效率高，耗时短，不易发生安全事故。 ( 1 ) 测力锚杆 测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小及分布状况的专用锚杆，主要由 杆体、保护接头、静态电阻应变仪、多通道转换开关、安装接头、连接导线等几部分组 成。其工作原理主要是利用电阻应变片及电阻应变仪，即可测试锚杆在受力过程中的应变 值变化。工作应变片和温度补偿应变片分别贴在锚杆和温度补偿件上，并按半桥工作方式 接入电桥。首先通过对其中某些点的应变进行测量，再经过数据处理和解析运算，最后确 4 1 绪论 定出被测部位的应力。然后根据锚杆受力变化，判断锚杆是否屈服，对顶板稳定做出预测， 当锚杆受力突然增大或大范围屈服时，提示人们及时采取措施，避免顶板冒落事故发生。 ( 2 ) 多点位移计 多点位移计是监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间深部围岩变形随时间变 化情况的一种仪器。安设多点位移计的目的：了解巷道围岩各部分不同深度的位移，岩层 弱化和破坏的范围( 离层情况、塑性区、破碎区的分布等) ：判断锚杆与围岩之间是否发 生脱离，锚杆应变是否超过极限应变量，为修改锚杆支护设计提供依据。 ( 3 ) 项板离层指示仪 顶板离层指示仪是监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层值变化大小的一种监测装 置。安装离层指示仪的目的：( a ) 对项板离层情况提供连续的直观显示，及早发现顶板失 稳的征兆，以避免冒顶事故发生；d ) 监测数据可作为修改、完善锚杆支护初始设计数据 的依据之一。顶板离层指示仪实际上是两点巷道围岩位移计。在顶板钻孔中布置两个测 点，一个在围岩深部稳定处，一个在锚杆端部围岩中。离层值就是围岩中两测点之间以及 锚杆端部围岩与巷道顶板表面问的相对位移值。并可直观显示出相对位移值( 离层量) 的 大小。对巷道顶板监测在国内外普对巷道顶板监测在国内外普遍比较重视，分析国内外 的顶板离层监测仪器，可分为两类：一类是结构较为简单的纯机械式顶板离层指示仪；另 一类是借助电器元件以声光两种方式报警的顶板离层报警仪。上述锚杆监测仪器的主要 缺陷：无论何种监测仪器都需要专门人员经常在井下来回巡视，监视监测不直观，所有信 息的管理( e h 于仅仅是间接测量获得的数据) 无法利用计算机进行存档。 1 2 4 目前发展状况 随着1 9 7 1 年i n t e l 推出第一片微处理器4 0 0 4 ，其后各厂家迅速推出了8 位、1 6 位 的微处理器。7 0 年代，以这类微处理器构成的嵌入式系统得到了迅猛的发展，广泛应用 于工业仪器仪表、医疗设备、机器人和家用电器等领域。到了8 0 年代，随着微电子工 艺水平的提高，集成电路制造厂商开始把微处理器与外围i o 、a d 、d a 、串口、r a m 和r o m 相结合起来，集成到一块芯片上，构成了面向i o 设计的微控制器，即单片机。 单片机的出现使得嵌入式系统应用更方便、更小型化，推动了嵌入式系统在仪器仪表、 电脑配件、智能设备上的应用。到2 0 世纪9 0 年代，单片机、微处理器的性能又得到了 很大的提高，以d s p 、a r m 等3 2 位处理器为代表的面向特定应用、高性能微处理器纷 纷推出，在分布控制、柔性制造、数字化通信、数字化家电和个人数字助理等领域得到 了广泛应用。目前，嵌入式微处理器j 下朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。片上系 统( s y s t e mo n ac h i p ，s o c ) 设计使得嵌入式系统体积做得更小，功耗大幅降低，是未来手 持设备的主要发展方向。当然，从总量来说，单片机系统在嵌入式系统中还将占大多数。 因为它能满足一般的控制需要，并且简单、稳定和廉价，在低端应用领域中仍然占据主 5 西安科技大学硕士学位论文 导地位。 嵌入式系统【1 6 】的复杂程度、功能规模的不同，对嵌入式系统软件系统的要求也不同。 对于一些简单的嵌入式应用系统，一般采用比较简单的单片机系统，软件部分比较简单， 不区分操作系统和应用程序，软件整体就是一个模块，全部由应用设计人员自行设计开 发。这类系统在实时性、系统效率等方而能够做得比较好。但这种软件结构只适合于简 单的应用系统，对于复杂的、多任务并行的系统，软件开发难度比较大，扩展性差，并 不易修改。 目前，随着微处理器速度以及芯片集成度的大幅度提高，嵌入式系统得到了飞速的 发展。随着嵌入式系统在通讯、数字化仪表、手机和p d a 等方面的应用，嵌入式操作 系统得到了广泛应用，出现了许多复杂程度不同的嵌入式操作系统。同时，围绕几种主 流嵌入式操作系统的应用和发展，对于嵌入式系统应用软件的研究也逐步展开，主要涉 及网络协议和图形界面等方面。嵌入式系统软件的发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 操作系统的支持 当嵌入式系统越来越复杂时，如果仍采用人工的方式进行系统的各种调度，开发难 度很大，实时性、可靠性和可维护性都难以保证。引入操作系统进行任务的管理和调度 大大方便了应用系统的开发，使得系统的结构更加清晰，维护和扩展更加方便。 ( 2 ) 多任务且具有实时性 在多任务嵌入式操作系统中，合理的任务调度必不可少。单纯通过提高处理器速度 是无法达到目的的，这就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。现在，多任 务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。 ( 3 ) 强大的联网功能 大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的单一系统，但在网络日益重要的今天，越 来越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与i n t e m e t 的连接，给系统提出了很多新的要求。系统需要支持t c p i p 协议和相关应用程序，并 且需要理安全认证和控制问题，这些要求使应用系统变得更加复杂，需要更多的资源。 这时就需要具有网络功能的嵌入式系统的支持。 ( 4 ) 窗口交互功能 当前，很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供传统只有在p c 和高端系统中才能 提供的类似w i n d o w s 的窗口交互系统。这对运行空间和运行速度都有苛刻要求的嵌 入式系统提出了挑战。目前，嵌入式系统软件的发展趋势主要体现在以实时操作系统 ( r t o s ) 为基础的软件平台专业化和商品化。操作系统是嵌入式系统的软件开发平台，最 关键的部分是操作系统内核。内核的基本功能包括任务管理、定时管理、存储器管理、 资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理等。这些管理功能是通过内核服 务函数形式交给用户调用的，也就是操作系统( o s ) 的应用编程接口( a p i ) 。o s 的引入， 6 1 绪论 解决了嵌入式软件开发标准化的难题。 1 3 理论研究的价值与意义 故障诊断技术【1 7 】自2 0 世纪7 0 年代兴起以来，在各产业部门和技术领域发展很快， 并取得了很大成效，促进了设备维修体制的一次变革，使设备维修体制由传统的事后维 修和预防维修方式逐步变为预知维修( 或状态维修) 。从而减少了事故损失，提高了设备 运行的可靠性，降低了维修费用。随着现代科学技术的不断发展，生产装备不断向着大 型化、高速化、连续化和自动化方向发展，因而设备复杂性加剧，成本昂贵；维修费用 高：出现事故损失大，影响大。生产设备的这些特点和要求进一步促进了故障诊断技术的 发展。目前，故障诊断技术已经成为世界各国诸多生产领域的研究热点；其应用不仅在 其最初产生的军事、航天、核能等领域继续走向深入，而且在钢铁、化工、交通、电力、 机械制造等产业部门广泛而深人的展开。故障诊断的具体对象涉及到：火力和水力发电机 组、电力变压器、高压断路器、电动机、电力网、核电站等电气设备和系统；大型回转 机械、往复机械、工程机械、滚动轴承、齿轮变速箱等机械设备和机械零部件；压缩机、 液压泵站、风机、水泵、提升机等动力设备；锅炉、凝汽器、内燃机等热力设备及军用和 其他工业设备实现故障诊断一方面取决于故障信息源例如电流、绝缘、温度、振动、超 声波等，其中机械故障诊断主要依靠振动和温度信息。获得真实的、足够的、相对准确 的故障信息或故障征兆是判明故障原因的前提；另一方面还决定于所采用的诊断方法， 由于设备故障在形成、发展和发生的过程中，会受到多种不确定因索影响，所以，同一 故障的外在表现形式常常呈现多样性，不同故障的表现征兆却具有相似性、模糊性。故 障信息的这种不确定性极大地增加了故障诊断的难度。因此，进行故障诊断，一方面要 尽可能多地采集反映设备故障状态的信息；另一方面，根据数量较为有限的状态信息， 采用先进的分析、诊断方法和技术，准确判断和区分故障是实现故障诊断的一个关键【l 羽。 目前，故障诊断技术的发展，已经越来越呈现出一种与当代前沿科技相融合的趋势。 例如，故障诊断与人工神经网络、专家系统和遗传算法等为代表的人工智能技术的结合， 故障诊断与小波分析、模糊数学、分形几何等前沿数学的结合，以及故障诊断与信息融 合技术相结合等等。 目前，嵌入式系统的数量大、种类多，想躲避嵌入式系统的发展潮流是不可能的。 虽然嵌入式市场的增长主要是嵌入式系统的应用增多，但不可小视微处理器的高速发 展。我们知道，a r m 7 【伸1 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统的主时钟为2 0 1 3 3 m h z ；a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为 1 1 m i p s m h z ，常见的a r m 9 的系统时钟频率为1 0 0 , 、- , 2 3 3 m h z 。面对要求越来越高的 消费群体，或者为满足更高端应用的需要，使用高性能的处理器已成为必然趋势。本系 统采用的是a t m e l 的a r m 9 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，它有丰富的外设资源，这可以简化 7 西安科技大学硕士学位论文 的硬件外围电路的设计，功耗低，在正常操作模式下最大功耗只有3 0 4 m a ，可实用于 电池供电的场合，而且工作温度范围是4 0 - - 8 5 ，可工作与比较恶劣的气候条件下， 本课题所设计的平台主要面向于电池供电、条件比较恶劣的场合下应用，如无人监守的 高压线路检测、远程监控系统等。 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上出现各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作系 统大部分都是为专有系统开发的，从而逐步演化成了现在各种形式的操作系统百家争鸣 的局面。这些操作系统有v x w b r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、q n x 、l i n u x 、u c o s 和w i n d o w s c e 等。免费型的目前主要有l i n u x 和u c o s 。由于l i n u x 的源代码是公开的、免费的，功 能强大，稳定，健壮；非常优秀的网络功能，图像，文件管理功能，以及多任务支持功 能；可裁剪性；有成千上万的开发人员支持；有大量的且不断增加的开发上具。 1 4 本课题研究目标和主要研究内容 研究目标： 构建高度集成的系统单元，简化现场联机操作步骤，提高设备易用性。 降低整机功耗，提高设备稳定性和可靠性。 改善人机接口。 提高动态范围，拓展采样频带宽度，改善设备性能。 需解决的问题 锚杆监测设备的工作现场一般较恶劣，弥漫着各种干扰( 来自系统内部和外部) ，当 被测信号微弱时，有效数据可能被噪声“淹没”，导致数据采集与处理误差，可靠性降低。 仪器多采用基于软件的程控放大方式，降低了数据采集的速率。 由于采集系统的频响范围有限，动测曲线无法反映锚杆多处断裂时的状态，超浅部 的杆身成为测试盲区。 解决方案 硬件上将输入信号接模拟低通滤波器，滤除高频噪声；软件上通过数字滤波器，对 信号进一步高精度滤波。 采用全硬件的高速实时浮点放大技术，提升整个系统的测量精度。 整体权衡调整各部件的性能参数，通过选择传感器、采样保持器、模数转换器的参 数指标来提高系统的频响范围。 研究内容： 论文根据声穿透无损监测原理，提出了系统设计的体系结构，分别对软硬件两个平 台进行研究设计和实现。本监测系统的设计思路是使系统具有可扩充性，数据采集单元 具有通用性，并与嵌入式系统集成，普遍适用于高精度、非高速的瞬态信号采样现场。 主要包括数据采集单元和处理单元。监测仪软件平台的基本思想是各软件子模块具有较 8 1 绪论 低的藕合度，可移植性强。主要包括数据处理算法、a r m 软件开发平台的搭建及应用 程序。 本课题研究的主要内容是对嵌入式声振信号检测和分析技术进行深入的研究，通过 嵌入式计算机技术、数字信号处理技术与声振信号检测和分析技术的结合，构建一个能 够完成多种声振信号检测和分析功能( 包括各类声级计算和实时频谱分析等) 的嵌入式声 振信号检测和分析系统，该系统同时还具备区域分布式的声振信号自动监测、监控能力。 具体来说： ( 1 ) 在充分了解当前声振信号监测和分析技术现状及社会需求的基础上，对所要构 建的嵌入式声振信号检测和分析系统进行全方位的设计。 ( 2 ) 在系统设计的基础上进行嵌入式硬件开发，在调通硬件的同时保证系统的稳定 性。 ( 3 ) 对嵌入式l i n u x 软件系统进行必要的移植，以充分利用硬件，在资源受限系统 中对内核大小进行有效裁剪。 ( 4 ) 进行各种设备驱动接口、文件系统的建立。 ( 5 ) 应用程序算法的研究、实现以及在嵌入式系统上的优化。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 锚杆监测技术 2 系统结构设计 2 1 1 锚杆监测的方法 我们根据声波透射法f 2 0 j 进行监测，一般以人为激励的方式，向介质( 被测对象) 发 射并在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波( 反射波、透射波或散射波) ，通过 观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何 特性、组织结构、力学性质进行推断和表征。声振检测法是激励被测工件产生机械振动 ( 声波) ，测量其振动的特征来判定其质量的技术。所谓的声振检测法，就是激发样品 振动，而反映样品振动特性的等效阻抗反作用与换能器，构成换能器的负载。当负载有 变化时，换能器的某些特性也随之变化，从而确定被监测工件的特性。 目前无损检测的原理主要基于弹性波理论的范围，即在锚杆、砂浆和围岩组成的体 系中，从锚杆顶部发射声频应力波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩的界 面发生反射和透射。在锚固体系中，当锚杆、砂浆和围岩兰者之间浇灌密实时，由于波 阻抗差异不大，大部分能量透射到围岩体中。只有小部分能量反射回来；当砂浆浇灌不 密实时，在砂浆中出现空穴，在空穴处将出现不同程度的波阻抗界面，表现为在原有的 信号中迭加了强度不同的反射信号，根据突变点位置和反射信号的强弱，就可以确定锚 杆锚固质量并进行分析。锚杆长度的监测是采用声频应力波反射时间，输入同类型锚杆 正常波速参数计算杆长。在实际监测时输人锚杆设计长度计算波速，如果在正常波速范 围之内，则长度复核无误。 2 1 2 振动监测原理 根据波动力学理论，波在均匀介质中传播时，波的传播速度、振幅和类型均保持不变； 但是当波在不均匀介质( 如波阻抗发生变化) 中传播时，它将会发生反射、透射或散射现象， 波的强度也将发生变化，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前传播称为透射 波，而另一部分能量反射回原介质，称为反射波。反射波应力r 南透射波应力r i 分别为： 足：垒! 皂兰r ，( 2 1 ) z 2 z i + 1 、 冠：2 ( z 2 z , ) ( a , a d r ，( 2 2 ) z 2 z l + 1 式中r j 为入射应力波，波阻抗z = p c a 、p 、c 、分别表示介质的密度、声速、截面积。 l o 2 系统结构设计 由( 1 ) ( 2 ) 两式可以看出，当杆中截面面积或材料性质发生变化时，入射波将在该截面上 发生反射和透射，其反射波和透射波幅值的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有 关。对于锚固状态下的锚杆，锚杆体内传播的应力波，会通过锚杆周围介质耦合传输，向锚 固介质辐射能量，通过锚固介质耦合，继续向围岩传播，部分能量透射到围岩中去，另一 部分则通过锚固介质反射回锚杆中去( 见图2 1 ) p 2 v 2 a 2 反射波 图2 1 原理不意图 一般情况下，在同一煤田范围内，岩体的岩性相差不大，假定锚杆，锚固介质，围岩3 者的 波阻抗分别为z l 、z 2 、z 3 ，根据弹性波在3 种不同介质中传播的基本知识，当3 者的波阻抗 接近时，即锚固密实时，能量能够理想地耦合到锚固体中去，波速变化不大，反射回来的能 量很弱；当3 者的波阻抗相差很大，如锚固的不密实、锚杆断裂等情况，波通过锚杆向周围介 质的透射会明显减弱，波速波动很大，同时反射回来的能量大大加强。理论和实践都证明， 弹性波在锚固体中传播时，速度和能量的变化与锚固状态有密切关系。 声监测的目标： 确定声源发射为位置； 分析声源的性质； 确定声源发射时间与载荷； 根据声源的性质经行评定。 2 2 系统实现方案 在利用反射波法监测锚杆完整性的试验中，为了获得正确的响应信号，要求试验仪 器应具备动态信号采集分析系统的主要功能，能够对振动量特征参数( 位移、速度、加 速度和力1 的频率、幅值和时差等进行测试和分析。 根据上述需求，系统可划分为采集单元和处理单元两大部分，其中采集单元包括动 态放大、模拟滤波、高精度采样、数据缓存；处理单元包括数据的分析、计算和图形显 示。在采集单元里，传感器将反射波信号转换为电信号，送入动态调整增益的放大环节， 该环节自动对接收到的电信号进行调整放大，直至其达到高精度采样的最佳识别状态 西安科技大学硕士学位论文 ( 模数转换器的1 2 量程附近) 。放大后的信号经高精度模数转换部分转换为数字信号， 进行本地缓存。一个采集周期后，处理单元读取采集数据，完成分析、计算和显示。将 上述两个单元与嵌入式系统技术结合起来，根据监测系统的具体需求，对嵌入式系统进 行合理裁减，开发出一个完整系统。 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”【2 l 】。通用嵌入式设备是以嵌入式微处理器为核心，通过扩展的接口 控制器，将外围设备与处理器有机结合在一起，再基于一个稳定、安全的软件环境，针 对实际专业领域，设计所需的应用软件。 首先进行功能分析，规划出系统的体系结构，列出各构件模块，然后进行底层的具 体设计，最后完成系统的整合。监测设备的结构示意图如图2 2 所示： 接口 图2 2 监测设备的结构不意图 2 2 1 系统硬件平台 ( 1 ) 嵌入式处理器 嵌入式微处理器一般是指单芯片、外设控制器丰富的m c u 。常见的嵌入式m c u 有 5 1 ，a r m ，m p i s ，s h 等，在手持设备d e a r m 应用最为广泛。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是英国剑桥设计开发的通用r i s c 微处理器内核，其主要优势是微型化、低功耗和高性能。 作为一种r i s c 体系结构的微处理器，a r m 除了具有s c 体系结构的典型特征，还具有以 1 2 2 系统结构设计 f 特剧埔】： 在每条数据处理指令中，同时控制算术逻辑单元和移位器，增大算术逻辑单 元和移位器利用率； 自动递增和自动递减寻址模式，优化程序中的循环； 同时l o a d 和s t o r e 多条指令增加数据吞吐量； 所有指令都是条件执行，增大执行吞吐量； 以上特点是对r i s c 基本体系结构的增强，从而使得a r m 处理器可以在高性 能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得最佳平衡点。 ( 2 ) 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器外，用于完成存储、通信、 调试、显示等辅助功能的其它部件。根据设备功能主要分为以下三类： 存储器：静态易失性存储器( s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失胜存储器 ( f l a s h ) ： 接口：r s 3 2 串口、u s b 通用串行总线接口、e t h e r n e t 网口等； 人机交互：触摸屏。 仪器设备包含的功能模块有数据采集、数据处理( 含数字滤波、分析处理、图形 显示及报表打印) 、数据存储，外部还需配备击锤及传感器。多路选择器选定一路有效 信号进入模拟低通滤波器。滤波后的信号通过采样保持器后分为二路，一路进入低精度 的模数转换比较器，实时监测信号的幅值范围并报告给控制单元，由其产生出相应的放 大系数，对可编程放大器进行设置。另一路首先通过可编程放大器进行放大，然后进入 高精度模数转换比较器，最后由控制单元设定放大系数并与放大信号同步存储。数据采 集部分的结构框图如图2 3 所示： 图2 3 数据采集结构示意图 1 3 西安科技大学硕士学位论文 一个采样周期后，控制单元向处理器a 1 w 申请中断，处理器读取数据信息后完成数 据的预处理分析和图形显示，通过u s b 接口向上位机传输数据，以获得完整的数据分 析和报表打印服务。数据处理和数据存储部分的结构框图如图2 4 所示： 图2 4 数据处理和数据存储部分的结构框图 采样过程中，数据的放大倍数与测量结果的同步时序控制是硬件需要解决的关键问 题。数字滤波、数据分析计算和指数放大显示是软件需要解决的关键问题。 整个系统的结构包括数据采集、数据处理和下面仅对部分关键技术进行讨论，随后 描述控制单元的实现。 2 2 2 系统软件设备 嵌入式软件是实现嵌入式系统功能的关键，它包括操作系统和应用软件，对它的要 求与通用计算机不同： 软件要求固态化存储。为了提高系统可靠性，系统中的软件一般都固化在低速非 易失性存储器介质中，启动后将运行代码复制到高速易失性存储介质中。 软件代码质量、可靠性要求高。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高， 片上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空问仍然是宝贵的。为此要求高质 量的程序代码和编译工具，以减少程序二迸制代码长度、提高执行速度。 系统软件的实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任 务进行合理调度，是保证每个任务及时执行的关键。单纯通过提高处理器速度无法高效 完成任务调度时，只能由优化编写的系统软件来完成。 2 2 3 动态放大技术 由于反射波幅值变化范围大，为了使小信号也有较高分辨率，采用硬件自动实时选 1 4 2 系统结构设计 择信号的放大倍数，增加系统的动态范围。采样信号经过a d 转换器变成数字量的过程 称为量化过程。每个采样信号预与转换后的二进制代码之间有对应的单值关系，这个二 进制