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摘 要：提出了一種基于核心處理單元為Altera NiosⅡ的SoPC的智能低應(yīng)變反射波檢測系統(tǒng)。介紹了低應(yīng)變反射波檢測法，探討了系統(tǒng)具體的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主要目的是使復(fù)雜電子系統(tǒng)可在單塊FPGA上實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)在基樁完整性檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景，并能通過適當(dāng)改進(jìn)，應(yīng)用于其他工程檢測中。
信息化、自動(dòng)化、智能化、高集成度已經(jīng)成為當(dāng)今工程技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域�？删幊唐舷到y(tǒng)（SoPC）技術(shù)將中央處理器、內(nèi)存、I/O接口以及大型可編程數(shù)字邏輯單元融合到單塊FPGA芯片上，使得整個(gè)系統(tǒng)小型化、集成度高、靈活性強(qiáng)、功耗低且成本低廉。
基樁的低應(yīng)變完整性測試因其簡單易用及較低的成本，被廣泛用于分析和*價(jià)基樁的工程建造質(zhì)量。大多數(shù)傳統(tǒng)的低應(yīng)變樁身檢測儀器都采用獨(dú)立的單元：包括信號(hào)調(diào)制單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、微控制器及其外圍電路和PC104工控機(jī)。因此，其很難在功耗、成本及抗噪性上令人滿意。本文提出了一種基于以Altera NiosⅡ軟核處理器為核心單元的SoPC的智能低應(yīng)變反射波檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括信號(hào)采集單元、存儲(chǔ)器模塊、電源模塊、LCD觸摸屏、USB/UART接口及SoPC模塊Altera CycloneⅡ EP2C8。
1 低應(yīng)變反射波法簡介
大多數(shù)的基樁缺陷檢測都是基于音波回音法，低應(yīng)變反射波法也不例外。在該方法中，通過直徑4~5 cm的小錘敲擊基樁頂部得到震源。再利用基樁上的加速度計(jì)來捕獲記錄加速度的變化情況，進(jìn)而計(jì)算得到速度時(shí)間曲線。其示意圖如圖1所示。
圖1中橫坐標(biāo)為速度，縱坐標(biāo)為時(shí)間。該測試記錄能反映出震源波在樁內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)一維波理論，聲波信號(hào)的幅度是一個(gè)與基樁阻抗相關(guān)的函數(shù)。因此，基樁的長度及缺陷的位置便可由式(1)計(jì)算得到。
2 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理
根據(jù)上述介紹，不難得知系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵便是獲取低應(yīng)變反射波的波速及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。整個(gè)系統(tǒng)由加速度傳感器、信號(hào)采集單元、SoPC模塊、電源模塊及其他外設(shè)電路組成，如圖2。
將加速度傳感器按照規(guī)范要求，安裝在樁頭磨好的位置，用黃油等介質(zhì)進(jìn)行耦合。用手持小錘進(jìn)行敲擊后，進(jìn)入檢測進(jìn)程。首先由信號(hào)采集單元收集加速度傳感器的輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過與加速度傳感器輸出端并聯(lián)的電阻處理，由電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并通過濾波器處理濾掉高頻噪音后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器捕獲超過閾值電壓的信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)存儲(chǔ)到外部閃存中。最后由控制核心模塊讀取閃存中的數(shù)值并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將采集到的反射波形顯示到系統(tǒng)的觸摸顯示屏上。并可通過USB/UART接口，將這些數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)。
