巖體力學(xué)性質(zhì)測試是巖體力學(xué)性質(zhì)測試技術(shù)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其目地主要是為巖體變形和穩(wěn)定分析計(jì)算提供必要的物理力學(xué)參數(shù) [1] 。本文通過設(shè)計(jì)一種基于ARM 的力學(xué)性質(zhì)測試 系統(tǒng)，對巖塊力學(xué)性質(zhì)測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的測試、采集和分析，來準(zhǔn)確預(yù)測巖體在 各種應(yīng)力場作用下的變形與穩(wěn)定性，進(jìn)而為合理的工程設(shè)計(jì)提供巖體力學(xué)依據(jù)。
1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)是基于 S3C44B0X 處理器的嵌入式平臺，采用了μC/OS-II 作為操作系統(tǒng)。一方面系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足巖體力學(xué)性質(zhì)測試的要求，一方面在嵌入式系統(tǒng)有限的資源上實(shí)現(xiàn)更多的功能。主要由數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞撞糠纸M成，通過與巖體力學(xué)試驗(yàn)儀器配合， 實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并顯示數(shù)據(jù)，還可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步分析存儲。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示：
首先由力學(xué)試驗(yàn)儀器測試巖體試件的力學(xué)性質(zhì)，數(shù)據(jù)由儀器上的傳感器得到，然后由嵌入式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過LCD 顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)為了在試驗(yàn)中有效的保存數(shù)據(jù)， 擴(kuò)展了系統(tǒng)的存儲單元。系統(tǒng)可以使用以太網(wǎng)或CAN 總線與遠(yuǎn)端上位機(jī)通信，也可以通過 串口與上位機(jī)相連接，由數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及畫圖，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以存儲、分析、打印。
2 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的各個(gè)模塊，分別完成不同的功能，以 μC/OS-II 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過任務(wù)調(diào)度， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲和網(wǎng)絡(luò)傳輸各部分。總的設(shè)計(jì)原則是系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊之間相互獨(dú)立，接口盡量簡單，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的高內(nèi)聚、低耦合，以便于系統(tǒng)的維護(hù)和進(jìn) 一步擴(kuò)展。
系統(tǒng)應(yīng)用程序主要使用 C 語言及匯編語言編寫，完成功能有：（1）通過一個(gè)I/O 端口發(fā) 送試驗(yàn)啟動(dòng)信號；（2）通過系統(tǒng)自帶的ADC 對多路試驗(yàn)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換； （3）通過LCD 顯示界面，使用折線圖動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)曲線；（4）需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，讓處理器掃描鍵盤輸出輸入端口獲得輸入值，因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)進(jìn)行過程，并進(jìn)行相應(yīng)的控制； （5）S3C44B0X 可以脫離上位機(jī)獨(dú)立進(jìn)行試驗(yàn)，也可以通過以太網(wǎng)或CAN 總線與上位機(jī)通 信，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。程序具體實(shí)現(xiàn)是在操作系統(tǒng)中建立多個(gè)不同優(yōu)先級的任務(wù)， 然后通過消息隊(duì)列和全局變量進(jìn)行同步 [5] [6] 。主要程序流程圖如下：
上位機(jī)程序主要是基于 Delphi 語言編寫，上位機(jī)與試驗(yàn)系統(tǒng)相連接，控制試驗(yàn)儀器，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，還可通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)方便地查詢每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過PC 機(jī)顯示界面對試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果文件進(jìn)行對比。
3 系統(tǒng)測試
為了調(diào)試開發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的性能，連接巖體力學(xué)試驗(yàn)儀器上進(jìn)行了多次單軸壓縮、單軸拉伸、三軸壓縮、直接剪切等試驗(yàn)。通過對三個(gè)壓力傳感器和兩個(gè)位移傳感器的相應(yīng)模擬信號進(jìn)行采集，記錄整個(gè)試件在試驗(yàn)過程中的壓力、位移和變形等參量。
實(shí)例（三軸試驗(yàn)( 力 -- 行程 )）：
3）通過網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并顯示
試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在試驗(yàn)過程中存儲到嵌入式系統(tǒng)中，同時(shí)可以傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上級機(jī)可以利用存儲空間較大的優(yōu)勢，存儲試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)，并可以隨時(shí)顯示歷史數(shù)據(jù)。
上位機(jī)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)如圖 4 所示。
4 結(jié)束語
該測試系統(tǒng)可以使巖體力學(xué)試驗(yàn)從得出測量數(shù)據(jù)，畫出力學(xué)性質(zhì)曲線，打印報(bào)表，到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較、分析、存儲的一系列過程自動(dòng)化、智能化，使得巖體力學(xué)試驗(yàn)測試和計(jì)算分 析系統(tǒng)能夠小型化，智能化，高效率的實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集和分析的問題。并且具有低耦合、高內(nèi)聚、可擴(kuò)展、可移植、穩(wěn)定性好、體積小和成本較低等良好特點(diǎn)。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)。（2）移植了實(shí)時(shí)嵌入式 操作系統(tǒng)μC/OSII 到ARM7 平臺。（3）移植了TCP/IP 協(xié)議棧。