本文介绍一种以8098单片机为核心的智能化实时工业测试系统。该系统用于一种大型建筑机械——静压桩机上，监视和记录静压桩机工作时压力、深度和倾斜度等数据，并对传感器输出的信号进行采集、转换和调理，最终完成显示和打印这些数据的功能。该工业测试系统是一实时测量系统，所有显示、打印、报警等功能都是与静压桩机工作过程同步进行的。
随着微电子技术的不断发展，单片机已经能够取代传统仪器仪表中的常规电子线路，把计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的智能化测量控制仪表。YZY300-2型全液压静力压桩机是桩基工程中采用静力压入预制桩的一种先进施工机械。以8098单片机为主体的静压桩机参数测试仪安装在静压桩机上之后，改进了原先压桩机的参数测试系统，达到了省工、省时、提高精确度的目的。
1 系统工作原理
该智能化测量系统共分4个测试通道，其中3个是“模拟一数字”系统，分别测量由压力传感器和X/Y倾斜仪所传送来的电压信号，另一个是数字系统，测量由光电传感器传送来的脉冲信号。该系统的通信接口主要是人机对话通道，所谓人机对话通道就是用户为了对应用系统进行控制以及了解系统运行状态所设置的通道，包括键盘、显示器、打印机等硬件设备。在静压桩机参数测试系统中，我们用PP40打印机完成了实时特性曲线打印和备用特性曲线打印，并用PP40列表打印出数据结果。系统设计框图如下图所示。
1.1系统硬件设计
1.1.1 传感器信号调理电路
针对压力传感器与X/Y倾斜仪的输出特性，我们设计了调理电路。压力传感器信号调理电路如上图所示。压力信号从IN3输入，U25是一个反向器，使输入信号从0～5V变为- 5～OV，其中R22为反馈电阻。C13起到抑制高频反馈的作用，这是因为高频时，反馈阻抗变小，反馈加深，从而降低了放大系数。R23的作用是抑制共模干扰。反向电压由U25的脚6输入。U24起到调节放大倍数的作用，在这里，调节RW6可调节放大倍数，从而调节U24‘中脚6的输出电压。R64是反馈电阻，R7的作用仍是抑制共模干扰。由于调理电路的输出电压要接到8098的A/D口ACH4中，因此要对输出电压进行箝位，在这里起箝位作用的元件是D24、D25，它们使输出电压不超出0～5V范围，保护后级A/D口输入，电阻R26和R82则可避免因电压太高而烧坏8098的ACH4口。
X/Y倾斜仪的输出电压调理电路如下图所示。
X和Y倾斜仪的输出电压范围为- 2.5—+2.5V，而且两者所用的传感器一样，因此可采用相同的调理电路，由于8098 A/D口的输入电压为0～5V，因此需加电压偏置电路以使传感器输出电压的范围从- 2.5～+2.5V转化为0～5V。偏置电压从U2的正端加入，大小由RW9来调节，范围为0～5V。反馈电阻为R46，输入电压从IN1加入，经反向后与偏置电压叠加，成为0～SV范围内的电压，C21的作用是滤波，同C24的作用一样，在这里，输出电压仍需D2和D4进行箝位，以免损坏8098的A/D口。
对于光电传感器输出的脉冲信号，其调理电路上图所示。脉冲信号从INO加入。R8与R5对VCC进行分压，从而使C2的脚4基准电压为2.5V。R6和R24对INO的输入电压进行分压，使VIN/2与基准电压2.5V进行比较。当VIN/2高于2.5V时，LM339输出为高电平；而当VIN/2低于2.5V时，LM339发生翻转，输出为低电平。在这里，D3起到箝位的作用。N20可提高LM339输出的驱动能力，R90为上拉电阻，R4则起限流作用。
总的来说，LM339对传感器的输出脉冲进行整型，4N25对LM339的输出进行隔离，输出脉冲进行隔离后，再经过74LS04整型，最终输入到8098的HSIO口。
压力传感器和X/Y倾斜仪的输出信号经过各自的调理电路后，均成为在0～+5V范围内变化的直流信号；光电传感器的输出脉冲经调理电路后成为0或SV的脉冲。
1.1.2系统扩展
通过系统扩展，构成一个完整的计算机测试系统，它是单片机应用系统设计的核心部分，包括存储空间扩展和I/O扩展设计。具体地，我们选用了一块6116作为外接RAM，选用了一块27256作为外接EPROM。该系统包括两块8255芯片和一块8279芯片。8255芯片中一片用于显示，一片用于PP40接口。
1.1.3其他电路设计
主要包括8098复位电路和报警电路的设计。
为了使8098能正常工作，必须进行复位。在电源内部振荡器稳定后，复位脚上的低电平至少保持两个时钟周期(T)的时间2T，当RESET又变为高电平时，8098需要10个周期(10T)来执行一组复位序列，为此，我们设计了复位电路，如图5所示。当静压桩机压力超限时，该仪器应产生警报声以提醒工作人员作出适当的反应。我们利用8098特有的PWM输出脉冲作为控制信号(AL)，设计了如下图的报警电路。
上图复位电路中有两个输出端，一个是RE-SET，提供给8098的RESET端，低电平有效；一个是RES，提供给8255的RESET端，高电平有效。
FW1、FW2为一个开关。在这里，E4起到延时作用，延时10T（10μs）。三极管起反向作用，使RE-SET实现低电平复位。D2可防止干扰，当有电压负跳变时，可通过D2接地，从而消除干扰。R49在复位时防止电源直接接地，同时还起延时作用，这是因为R49的大小决定了E4的充电时间长短，从而决定复位时间的长短。R46在该电路中起限流作用。
上图报警电路中，J7位置接一个蜂鸣器，控制信号从AL端输入。8098的PWM端输出的调制方波经过74LS245驱动后，接入报警电路的AL端。
当方波输出高电平时，Nl导通，12V电压加在蜂鸣器J7两端，蜂鸣器导通；当方波输出低电平时，N1截止，J7的脚2与地断开，无电流通过，蜂鸣器J7两端不再加12V电压。这样控制方波的占空比，即可控制蜂鸣器导通与截止的时间，从而控制蜂鸣器的频率。当不报警时，PWM没有方波输出，AL端没有信号输入，蜂鸣器也就不响；当压力超限时，8098芯片PWM端产生方波，AL端有信号输入，蜂鸣器也就鸣响，而且其鸣响的频率是可控的。在这里C22和C35分别起到滤波的作用，可滤去电压中的高频分量。D10可起到保护蜂鸣器的作用，这是因为J7相当于一个感性负载，当它突然断电时会产生一个很高的反向电压，D10可释放这一反向电压，从而保护蜂鸣器不被击穿。R2起到保护Nl的作用，这是因为Nl导通时基极与发射极间压降为0.7V，若不加R2，在AL为高电平时有可能烧掉Nl。当然，R2也不能太大，否则Nl不能进入饱和区，从而使J7的供电电压不足，不能正常工作。
1.2系统的软件设计
在静压桩机参数测试仪的设计过程中，利用了EXTINT外部中断，软件定时器中断SOFTI和高速输入HSI中断，分别完成按键、定时器和测量深度等功能。软件定时器中断SOFTI的任务主要是用8255控制8个数码管定时显示，判断HSI的深度信号的真伪及定时查询是否压力超限。高速输入中断HSIO与深度光电传感器输出连接，每当输入一高电平时，就产生一次中断，置一次深度信号标志位。
2 被测量的测试方法
2.1压桩力的测试方法
静压桩机的压桩力是通过压力传感器测量并转变为电信号。由于静压桩机的压杆是用油压推动的，所以压力传感器就放在静压桩机的油压装置中，通过测量油压来间接地测出压杆所受的压力，压力传感器的输出是0～5V的直流电压信号，这一电压信号经过调理电路后，进入8098的ACH4口，8098内设的10位A/D对其进行采样，采样时间为500μs，采样个数为一次20个点。采样来的数据经过滤波后存放在固定单元内并经处理后送去显示。
滤波的过程分为两步，先是对数据进行平均，之后再对其进行低通滤波。这是因为压力的电压信号是一个缓变的信号，而测量仪工作在较恶劣的工作环境中，信号易受到偶然误差的干扰。针对这一特点，我们采取了相应的措施。首先是对采样到的数据进行抗干扰平均。具体过程为：去掉20个采样数据中的最大值和最小值，然后计算剩下的18个数据的算术平均值。通过这一方法，既可滤去脉冲干扰又可滤去小的随机干扰。实际做法是：先循环计算全部数据的累加和，同时找出最大值和最小值，并从累加和中减去最大值和最小值，最后再求平均值。数据进行抗干扰平均之后，还要通过一个低通滤波器。压力数据经过抗干扰平均和低通滤波后，达到平稳和线性地输出，对干扰，尤其是高频干扰及偶然误差的抑制能力很强。由于压力信号本身是一个缓变的信号，故信号本身经平均和滤波后并未失真。滤波后的压力数据需经过单位换算后再送数码管显示。
