摘要：文章主要从测斜仪的原理出发，分别简述了测斜仪硬件电路设计，以及系统软件设计，以期为行业提供有效的参考与借鉴。
关键词：测斜仪设计；系统软件设计
一、测斜仪的原理
测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆，滑轮装置和读数仪来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面。其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作。探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得。一支加速度计测量测斜管凹槽纵向位置，即测斜仪探头上测轮所在平面的倾斜度。另一支加速度计测量垂直于测轮平面的倾斜度。倾斜度可以转换成侧向位移。对比当前与初始的观测数据，可以确定侧向偏移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。绘制偏移的变化量可以得到一个高分辨率的位移断面图。此断面图有助于确定地面运动位移的大小，深度，方向和速率。
二、测斜仪硬件电路设计
1.系统总体设计
（1）系统测量部件在整个测斜过程中实时检测测斜探管的方位角、倾斜角和工具面角；（2）系统的测量部件能保存检测结果的原始数据，并提供读取或下载方式，方便日后数据处理和分析；（3）系统需要适应检测时的各种恶劣环境，包括高温、低温、潮湿等各种自然环境
以及电磁辖射干扰环境，保证系统检测结果的准确性；（4）系统电源需要保证检测系统的正常检测工作，直至检测任务结束；（5）系统掉电时应存储当前的系统工作参数以及采样数据，保证数据的不丢失，使系统下次上电后能恢复最近一次的工作状态继续执行。
2.系统硬件方案
硬件是自动测斜系统的基础，是系统实现高精度自动测量及实时控制的保障，它利用单片机控制系统完成信号的数据采集工作，配以软件系统便能更高效的完成测斜任务。整个测斜系统的硬件设计主要为井下部分。本设计的主要目标是利用井下系统完，成倾斜角、方位角和工具面角的测量，将所采集的数据存储在大容量ＦＬＡＳＨ芯片内，测量完成后通过蓝牙无线模块完成数据传输，将井下系统作为数据采集系统使用。测斜系统工作前后釆用无线通信，使得整个测试更加灵活性便捷。整个硬件设计如图2.1所示。
图2.1测斜仪硬件系统
针对检测系统的被测对象，选择合适的测量方法和传感器，本系统的检测对象是仪器的倾斜角、方位角和工具面角；根据系统在实际运行环境中对电源的要求，设计合适的电源；设计合适的数据采集方案，并给出具体的软硬件实现，本检测系统的数据采集应当直接在井下完成；数据处理应以井上的计算机为中心，编写上位机软件实现测斜前后的系统控制、数据处理功能。系统的总体功能设计主要包括以下几种功能：
（1）检测功能；检测功能主要是完成井下仪器工作运行时动态特性相关参数的实时检测，检测的参数包括倾斜角、方位角和工具面角。（2）通信功能通信功能是指井下测量部件与地面计算机之间的通信，本系统所设计的通信方式为蓝牙无线。无线通信主要用于系统实际检测前后对系统实施控制和检测之后的釆样数据传送，通过无线通信这种非物理连接方式省去了传统的有线式连接控制，使得整个测控系统变得更加简洁，测试现场操作更加方便快捷。但由于受限于蓝牙无线通信的控制距离，对于实时数据监测变为不可能，而测试完成后方便的数据传输分析同样弥补了该缺陷。在实验室做系统调试或相关短距离（１０ｍ内）实验时，无线检测的优点得到了凸显，通过无线通信方式可以方便的实时传输检测数据，实验完成也即完成了原始数据的传输，这样便提高了检测人员的机动性。
3.电源线的布局
（1）硬件系统中，比较常见的电磁干扰主要来自两个方面，其一为外界的强电磁辖射，另外一方面则是系统本身由于电源线所产生的电磁干扰。因此电源线的合理布置是减少系统干扰行之有效的方式之一。首先，系统自身电路干扰的产生是由于电源线与地线之间的环路面积所过大所致，因此应该尽量缩小他们之间的距离来减小干扰。其次，在模数混合电路中，应对他们分开供电，这样同样能够减少干扰。更重要的一点，数字电源和模拟电源应分幵放置，避免相互重叠，这样就不会有親合电容产生，保证了系统分离度。最后，芯片的电源和地之间应釆用０．１／＾电容进行去親，去親电容应靠近芯片傳接，同时要尽量减小去稱回路面积。（2）地线的布局；地线是系统工作电路的参考电位，同时对于信号回路还具有低阻抗作用。在进行地线设计布置时应适当加粗线宽，这样既能够保证信号的稳定性，还可以提高抗噪声性能，减少地线噪声对低电平数字电路的影响。对于公共地线，应该尽量将其布置在边缘处，连线时防止闭合，避免电磁感应。通常情况地线所产生的干扰可能会让系统控制核心做出误判断，使之产生误动作；同时，传导和福射也可能因此而发生。因此，通过减小地线阻抗来减小或避免干扰是设计过程中必须考虑的内容。在布局过程中，应具有针对性，根据电源电压的不同将数字地和模拟地分开布置并最终在电源处连接。
三、系统软件设计
1.系统通信实现
通信过程主要包括参数设置以及数据通信。参数设置是系统进行通信之前必须进行的一步，需要统一上下位机之间的数据帧格式和传输速率。其中最重要的参数主要为－波特率、奇偶校验位、数据位以及停止位。参数设置完成之后就可以进入数据通信阶段。在通信过程中，下位机不断检测来自上位机的数据起始位。在检测到起始位之前，接受设备一直处在停止或空闲位阶段，当接收到下跳沿则表明起始位出现。经过确认之后便开始按数据顿格式对所传输的数据位进行接收，待一个完整的数据倾传输完毕，系统将会去掉停止位，把数据位排列成一个字节，通过校验确认无误表示正确接收一个字符。接收设备将不断重复以上整个过程，直到所有数据接收完毕。
2.蓝牙是上下位机进行通信的主要方式，通过建立点对点的蓝牙链路实现数据传输。当链路成功建立之后，蓝牙之间的正常通信就需要按照ＨＣＩ数据分组格式进行数据交换。在进行通信之前，需要对蓝牙模块进行初始化，并正确设置ＨＣＩ层流控。通过ＡＣＬ数据进行通信的步骤为：１）初始化蓝牙模块；２）ＨＣＩ流量控制设置；３）设备查询；４）建立连接；５）数据通信；６）断开连接。蓝牙模块的初始化主要是接收来自单片机的命令分组。蓝牙每接收到一个ＨＣＩ命令分组就要通过自身向单片机返回事件分组以判定命令的执行情况。如果单片机未接收到正确的事件分组，那么将对蓝牙模块重新进行初始化，直到接收到正确的事件分组为止。初始化完成之后，蓝牙设备的主机控制器到主机流量控将通过，Ｓｅｔ＿Ｈｏｓｔ＿Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ＿Ｔｏ＿Ｈｏｓｔ＿Ｆｌｏｗ＿Ｃｏｎｔｒｏｌ指令打开，对于包括数据分组长度在内的一些流量控制的配置需要通过Ｈｏｓｔ＿Ｂｕｆｆｅｒ＿Ｓｉｚｅ指令来实现。随后，通信系统将利用主设备来查找周围的从设备，通过发送建立连接命令实现设备间的ＡＣＬ连接进行数据通信。通信完成后，主从设备均可通过发送Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ命令来断幵连接。
参考文献：
1.电子测量[M].中国计量出版社，蒋焕文，孙 续著，1988
2.新式数显测斜仪校验架的研制[J].李楠. 工业计量.2018（05）
论文作者:吕瑟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：系统论文; 蓝牙论文; 数据论文; 地线论文; 通信论文; 测量论文; 位移论文; 《基层建设》2019年第7期论文;