摘要：根据静载检测系统对系统结构和功能的新需求，采用Cypress公司的CY8C24894芯片作为系统的主控部分，提出了基于子节点、汇聚节点、上位机三层结构的数据传输方案，设计了节点、传感器接口、无线传输模块等硬件电路，给出了前端数据采集、通信控制等软件流程，并成功实现US－BUART仿真串口通信功能。实际测试表明，该系统操作简便、实时性强、精度高，可广泛应用于桩基承载力的静载试验中。 近年来，我国工程建筑事业开展迅猛，城市高层建筑也随之得到了前所未有的高速发展。桩基的成桩质量与其实际承载力关系到整个高层建筑的设计和安危，因此对于高层建筑而言，桩基承载力检测非常重要。我国建筑桩基技术规范（JCJ94－94）规定：对于一级建筑物以及缺乏可参照试桩资料的二级建筑物为确定单桩竖向极限承载力，应进行现场静载试验。
现有的静载检测仪虽然做到了白动化、智能化，但是都是基于有线连接方式的，并且所使用的8位MCS－51单片机功耗较大、功能较单一，数据盒与上位机交换数据采用RS－232串口通信，无法适应电子系统无线化、小型化、高效化、集成化、节能化的发展需求。并且新一代的PC机上的COM接口已逐浙消失，单独设计USB转RS－232会带来不必要的麻烦，开发带有USBUART仿真串口的传输接口是当今检测仪器的发展需要。
PSoC的特点在于既具有8位微控制器的处理能力，又集成了多种可编程数字用户模块。值得一提的是，PSoC史无前例地集成了多种可编程模拟用户模块功能，将全数字式的微控制器设计与纯粹的模拟设计相结合，是一种具有SoC的基本原理的、基于高度灵活且完全可编程混合信号的全新一代器件。
CyFi低功耗无线射频技术开发简便、协议栈结构精简、可实现多信道跳变等特点，使其成为无线技术应用领域的新生力量，能广泛应用于工业、消费电子、汽车家电、智能建筑等多种无线控制应用中。
CY8C24894是Cypress公司推出的带有M8C控制内核的PSoC可编程片上系统，系统资源中带有USBUART传输模块。本文围绕这款高性能、低功耗的片上系统设计了一个无线采集系统。
1系统组成与设计原理
系统分为数据采集部分与数据上传部分。数据采集部分由5个子节点和1个汇聚节点通过CyFi无线传输技术组成。其中，子节点又分为4个位移子节点和1个压力子节点。子节点的核心控制单元是PSoC可编程片上系统，负责接收传感器数据并控制CyFi无线模块发送。另外，位移传感器采用数字容栅式MS50传感器，输出量为数字信号。压力传感器采用压阻式压力传感器MPM480，输出量为模拟信号，需进行A／D转换。
数据上传部分由汇聚节点与上位机通过USBUART传输技术组成，汇聚节点由基于PSoC可编程片上系统的数据盒控制。数据盒通过CyFi无线模块，收集到全部子节点的传感器数据并进行存储，当得到上位机读取数据命令后，通过USB接口模拟的串口将数据上传给上位机。系统整体设计方案如图1所示。
图1 采集系统框图 2系统硬件设计
2.1 CY8C24894可编程片上系统
CY8C24894是一种高速低功耗的芯片，内含的M8C处理器工作频率最高可为24 MHz，工作电源为3．3 V或5 y。CY8C24894内含1个XRES引脚支持系统内串行ISSP编程和外部复位控制。并且，CY8C24894不需要外部晶振驱动便可以开始工作。CY8C24894包含7个lO端菅口：Port0、Polt1、Polt2、Port3、Port4、Port5 和 Port7，共49个GPIO。模拟系统包括2列6个可编程模拟模块和模拟互联逻辑，数字模块包括1行4个可编程数字模块和数字互联逻辑，另CY8C24894片上还集成了16 KB的Flash程序存储器，1 KB的SRAM数据存储器。
可编程片上系统CY8C24894集成了全速USB通信模块、2个带32位累加的高速8位乘法器、多个SPI主、从设各、6～14位模数A／D转换器、滤波器、最大增益为48的可编程增益放大器PGA、6～9位模数D／A转换器、电压比较器等片上资源。
2．2无线模块
射频芯片采用CYRF7936芯片，为40引脚的QFN封装芯片。工作的ISM频段为2．4 GHz～2 483 GHz，工作电压为1．8 V～3．6 V，支持速度为4 MHz的sPI微控制器接口，需外接12 MHz的晶振。
CyFi无线射频技术是Cypress公司2008年底提出的面向嵌人式控制领域的一款低成本＼低功耗、高可靠性的无线射频解决方案，工作于无许可限制的2，4 GHz［SM频段。CyFi无线射频解决方案由PSoC控制核心、无线射频收发器和CyFi星型网络协议栈组成。PSoC可编程片上系统包含了CyFi星型网络协议栈预配置固件用户模块，并以源代码的形式提供了全部应用程序的接口，总共只需8个API指令便能完成设计。CyFi收发器输出功率高达＋4 dBm，接收灵敏度高达－97 dBm，能实现跳频传输和DSSS调制抗干扰，并能根据链接管理需求，自动调节传输数据速率，以1 Mbis、250 kb／s或125 kb／s的速率进行通信。
2.3传感器模块
本设计中位移子节点采用岩土工程监测中常用的数字容栅式位移传感器MS50，其分辨率为0．01 mn1，精度为±0 03 min，电子容栅式位移传感器MS50的输出信号如图2所示，分为CLK和DATA两路信号进行传输⊙由示波器检测输出信号可知：信号的头尾为标志位，且为4位高电平值。位移传感器MS50每250 Ins传输一帧48位的数据包，这个数据包由各分为24位的两组数据组成。其中，后一组数据为前一组数据减去基准零值后的差值，即为前一组数据的倒相输入。
图2位移传感器输出信号格式 MS50传感器的输出时钟频率为90 kHz，出现标志位后，时钟信号第一次有电平向下跳变时，开始读取数据信号上的信息，直到尾部标志位出现为止。采集到的数据经过转换后，输出DATA和CLK两个信号，供CY8C24894读取。
压力子节点采用的是MPM480压阻式压力传感器，供电电源为15 V～28 V，输出为模拟信号4 mA～20mA。由于CY8C24894内部含有可编程增益放大器PGA和模数转换器ADC，所以将压力传感器输出信号转换为电压信号后直接连CY8C24894的模拟输人引脚。接口电路如图3所示。
图3压力传感器接口电路 2．4总体硬件电路
总体电路由4个位移子节点电路、1个压力子节点电路和1个汇聚节点电路组成。CY8C24894与CYRF7936的连接如图4所示。
图4 CY8C24894与CYRF7936 |
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