AMAT 0080454-002
1引言
压实度是指压实土的干密度与标准击实试验获得的最大干密度之比。在公路修筑中，路基、地基层、基层和面层都需要很好的压实，以达到一定的密实度，提高道路的承载能力，并防止沉陷、水分渗透等。而衡量路基压实质量的一个重要指标就是路基的压实度。通常，压实度每提高1％，基础承载能力就要提高10％。若是沥青混凝土路面，压实度每提高1％，承载能力和寿命可提高10～15％。压实工作的重要性显而易见。
目前施工或检测部门一直采用的是传统的人工抽样方法来保证压实质量，这种方法不仅费时费力，而且还将造成路基的破坏。随着交通运输量的迅速增大，公路建设进一步发展，施工部门对压实度的检测提出了更高的要求。传统的压实度测量方法已经不能适应现代的施工要求，因此，研制开发一种快速、无损、定量的压实度检测仪器迫在眉睫。
2车载压实度检测仪的硬件设计
随着振动压路机压实工作的进行，土的密实度和弹性模量不断增加，土与压实轮之间的相互作用力也不断增大，所以压实轮的加速度幅值也在不断增大，从而可以通过检测加速度幅值变化间接测出路基的压实状况。车载压实度检测仪是一台在线实时压实度检测计。它主要
由以下几个部分组成：加速度传感器、电荷放大器、A／D转换、单片机、液晶显示器以及通过RS-232串行口与车载式压实度检测仪相连的外部PC机。系统硬件组成如图1所示。
2.1单片机的选型
这里选用Atmel公司生产的AT89S52单片机，其CPU采用与MCS-51兼容的结构和指令系统。
AT89S52是一款带有8kB可在线编程Flash存储器的低功耗、高性能8位CMOS微控制器。它采用Atmel的高密非易失存储制造技术并与工业标准的80C51指令集和引脚结构相兼容。片上的Flash存储器允许重复在线编程或通过传统的非易失编程器进行编程，省去了每次都要拔片烧片之烦。AT89S52还提供以下标准功能：8KB的Flash存储器、256字节RAM、32根I／O引线、看门狗定时器、两个数据指针、3个16位定时器／计数器、一个六向量两级中断结构、一个全双工通讯端口、片内振荡器和时钟电路。上述这些功能可很好地满足系统硬件部分的设计要求。
2.2A／D转换器的选择
ADC0809是8位A／D转换器。对于振动压路机来说，其振动频率在30Hz～50Hz，根据采样定理可知：若连续信号xa(t)是有限带宽，即fa是有界的，则采样频率fs＞2fa时的离散信号x(n)就唯一确定了xa(t)。其中xa(t)的最高频率为fa，x(n)表示采样间隔为T的xa(t)的离散信号。参照实际工程应用系统的硬件资源，一般取fs=10fa。本系统振动压路机的振动频率范围在30Hz～50Hz，所以fa=500Hz，即采样周期T=2ms。而ADC0809完成一次转换大约需100μs，故能满足系统的要求。对于瞬时值响应的A／D转换器来说，所需的转换速率取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。在本系统中仅采集振动轮一路加速度信号，因此ADC0809可完全满足要求。
2.3液晶显示模块
在FPD(Flatpaneldisplay)器件中，LCD以其轻、薄、小、耗电低等优点而一枝独秀。为LCD配置驱动电路，可构成液晶显示模块LCM(LiquidCrys-talModule)。它的基本组成元件除LCD、驱动电路外，一般还有连接件、背光源等。液晶显示模块同系统中的其他电路一样，具有简单的接口，并提供丰富的控制显示的指令系统，为整机的开发节约了时间。
由于需要显示加速度变化曲线，故在此选择LCD点阵图形液晶显示模块。点阵式LCD的控制与驱动较复杂，随着大规模集成电路工艺的发展，现已有驱动电路芯片与控制电路芯片，还有的制作在液晶屏背面的线路板上，使LCD应用更方便。这里选用的是成都飞宇达实业有限公司提供的FYD12864-0402B液晶显示模块，其与AT89S52的接口电路如图2所示。
2.4AT89S52与PC机串行接口
单片机输出为TTL电平，要与RS-232进行接口，应在单片机AT89S52与PC机的接口之间进行电平转换。一般采用相应的TTL电平转换器即可实现，最常用的RS-232电平转换器件为MAXIM公司的MAX232。MAX232的电平转换电路如图3所示。其中，MAX232的11引脚和AT89S52的11引脚连接，MAX232的12引脚和AT89S52的10引脚连接，MAX2323的15引脚和AT89S52的20引脚连接。
3车载压实度检测仪的软件设计
3.1数据采集及发送程序设计
系统中AT89S52串口控制器SCON设置为50H，SM0、SM1分别为0、1，即为串行工作方式1，REN为1，即允许串口接收。另外，还应使AT89S52的中断允许寄存器IE的开放或禁止所有中断位EA为1，开放或禁止串行通道中断位ES为1，即允许串行口中断。AT89S52的并行口P0和P2分别作为8位数据的输入和输出口。P3口的输出作为数据锁存器和A／D的禁止和允许。下位机数据采集及发送程序流程图如图4所示。
3.2液晶显示程序设计
车载压实度检测仪最终通过液晶显示屏显示加速度变化曲线。FYD12864-0402B内置ST7920驱动控制模块。因此用户不必为编写复杂的驱动程序头疼，只需按照接口说明正确连接好电路，根据要求编写主程序就可以了。液晶显示程序流程图如图5所示。
4结束语
本仪器在实际工作前，首先要对振动加速度的大小进行标定。实验证明，车载式压实度检测仪具有传统压实度检测仪器无可比拟的优势。具体体现在以下几个方面：
(1)快速性：车载压实度检测仪可以在线实时反映路基的压实状况，而传统压实度检测法往往是在采样之后进行人工分析，才能确定出当前路面的压实状况，往往造成工期延迟。
(2)无破坏性：传统的压实度检测法需要挖坑取样，因此，不可避免对路
基造成破坏。
(3)准确性：传统的压实度检测方法仅可以测得有限点上压实度的数值，且具有很大的随机性，不能很好地反映整个压实区域的压实状况。而车载式压实度检测法则可以显示整个压实区域的压实状况。
(4)易操作性：传统的压实度检测法需要熟练的手工操作，包括挖坑、称重和测量含水量等，而车载压实度检测法则无须人工取样。
相信随着现代化高等级公路建设规模的不断扩大和对路基压实质量要求的提高，车载式压实度检测仪一定会在未来的公路建设中得到更加广泛深入的应用。
1引言
随着测试设备的飞速发展，其性能状况越来越受到人们的重视，经过一段时间要对测试设备进行检测。主测试板作为测试设备上的重要部件，它的性能好坏起着重要作用。在对其进行性能测试时，由于没有专用的信号源，一般都是安装在设备上进行试验。这不仅费时费力，而且更重要的是增加了修理成本，因此，迫切需要专用的测试设备。本信号源就是针对这一问题而设计的。
2信号源的设计要求
根据对多数测试设备修理试验工艺的分析，该信号源具体要求如下：
四路电压信号：一路电压范围为-25V～25V的直流信号源，精度要求为：0V～1V的误差为±0.1V，1V～25V的误差为±0.05V，-25V～0V的误差为±0.15V；其中一路产生幅值为0V～25V的方波，幅值误差为±0.2V，频率误差为1Hz；
一路电压范围为-100mV～100mV的直流信号源，要求误差为±0.5mV；
一路电压范围为-0.5V～0.5V的直流信号源，要求误差为±0.005V；
一路电压范围为0V～5V的直流信号源，要求误差为0.01V。
四路模拟温度信号。
3系统硬件设计
3.1信号源硬件设计及工作过程
本系统的硬件部分以Atmel公司的AT89S51单片机为核心，其外围电路主要包括：D／A转换电路、电压转换电路、运算放大电路、集电器模拟温度电路、通信接口电路以及看门狗复位电路。其核心部分是D／A转换电路和运算放大电路，其他电路都是围绕D／A转换功能完善系统、保证程序正常运行而设计的。通信接口电路实现上位机与下位机的数据通信；集电器模拟温度电路实现四路温度的模拟；看门狗复位电路监控程序的运行状态，在死机或“程序走飞”时可使系统自动恢复到正常工作状态。图1所示为系统硬件原理结构框图。
系统工作过程：上位机发送控制字(包括信号通道选择和信号幅值大小)至下位机(单片机)，下位机采集控制字后，由单片机程序实现所选信号通道以及信号幅值的大小。下位机产生信号后，通过串行总线将数据发送到上位机并显示在上位机相应的虚拟面板上。产生的信号通过板卡上的外接信号输出端口传输到测试设备相应的通道上，模拟传感器接收信号。如果测试设备接收后显示的信号与板卡输出的信号大小相一致，则认为测试设备性能良好。
3.2D／A转换电路和运算放大电路
D／A转换电路采用美国德州仪器公司生产的TLC5620。它是一款带有串行控制的4路8位电压输出数／模转换器(DAC)。每一路均具有两级缓冲器(输入锁存器(Latch)和DAC锁存器)、一个输出增益开关，一个8位DAC电路以及一个电压输出电路。TLC5620的编程可通过对串行控制字中的RNG位置1或清零来实现，其输出电压的最大值可以是外部参考电压的1～2倍。其输入／输出电路均为射极跟随器。
通过简单的3线串行总线可对TLC5620进行控制，其11位的命令字由8位数据位、2位DAC选择位以及1位RNG位组成。DAC寄存器是双缓冲的，将完整的新数值写入器件，然后DAC输出通过LDAC端的控制同时更新。数字输出端带有施密特触发器，因此，该电路具有较高的噪声抑制性能。
TLC5620采用4个电阻串(resistor-string)来实现D／A转换。每一个DAC的核心是一个带有256抽头的单电阻，它们对应于0～255的数字代码。每个电阻串的一端连接到GND，另一端由基准输入缓冲器的输出馈电。通过使用电阻串保持单调性，线性度取决于电阻元件的一致性和输出缓冲器的性能。由于输入端经过缓冲，所以DAC对于基准源总是呈现为高阻状态。
每一个DAC的输出由一个可控增益放大器缓冲，它可以被配置为×1或×2的增益。上电时，DAC被复位为全“0”。每一路的输出电压可由下式给出：
V0(DACA～DACD)=REF×(CODE／255)×(1+RNG)
其中，CODE的范围为0～255。RNG位是串行控制字内的0或1。
四路+25V模拟信号采用宽电压输出的运算放大器OPA551。该运算放大器可输出±30v电压，电流最大值200mA，可满足本系统要求。其余采用LM324，以节约成本。方波信号采用定时器的溢出中断来产生。四路温度的模拟采用数字电位器和继电器实现。调节电位器阻值大小实现温度变化，由继电器的动作切换开闭温度的模拟。D／A与运算放大器电路如图2所示。
3.3系统通信模块设计
通信模块采用CAN总线和RS-232总线模块实现，其电路图如图3所示。
RS-232电平转换器可以将输入的±5V电源电压转换为RS-232输出电平所需的±10V电压。CAN收发器选用PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，可提供对CAN总线上数据的差动发送和接收功能。
作为上位机的PC通过其串行接口发送数据，产生RS-232电平信号，由电平转换电路将RS-232电平信号转换成单片机所能接受的TTL／CMOS电平信号，并传到协议转换单元的单片机，单片机将接收到的数据打包、转换后，通过CAN收发器发送至CAN总线。挂在CAN总线上的下位机节点收到数据后，根据控制命令做出相应动作。上位机与下位机通信示意图如图4所示。
. 4系统软件设计
本系统软件设计分为两部分：上位机采用Lab-Windows／CVI为开发平台，下位机以g6E为平台，采用汇编语言编写。从功能上软件设计可分为：系统初始化程序、主程序、串口中断及定时器中断程序。双机通信协议约定如下：
aa+55+功能位+数据位+校验位
其中，前两个字节为前导码，第三个字节为控制命令，单片机根据此字节进行相应处理。第四个字节为具体控制数据，最后为校验数据。根据此协议，上位机每次发5个字节。下位机接收到有效的前导码后进行相应的动作。
5结束语
本测试信号源已投入使用，系统运行可靠、性能稳定，体现了良好的实用性与较高的性价比，完全能够满足各种测试环境的要求。
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