魏 欣，王志豪

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

高山滑雪比賽是冬季奧運(yùn)會(huì)上一項(xiàng)重要的比賽項(xiàng)目。在高山滑雪項(xiàng)目賽道制作實(shí)際應(yīng)用中，為了保證賽道的制作質(zhì)量，首先，制作者需要憑經(jīng)驗(yàn)用電鉆鉆入賽道，感受賽道的松軟度；其次，根據(jù)感受到的硬度，結(jié)合當(dāng)時(shí)的天氣情況，設(shè)定賽道的注水時(shí)間，將水注入賽道內(nèi)部20～40 cm處，使雪質(zhì)硬化，以保證雪道表面平整光滑，讓選手不論第幾個(gè)出場(chǎng)，雪道的狀態(tài)都是一樣相對(duì)完美的[1]。然而，賽道整個(gè)制作過(guò)程更多地是依靠人工經(jīng)驗(yàn)，不能對(duì)滑雪賽道的雪質(zhì)硬化的硬度情況進(jìn)行定量分析，無(wú)法保證所制作滑雪賽道硬度的一致性和科學(xué)性。

針對(duì)高山滑雪賽道施工驗(yàn)收檢測(cè)的需要，本文設(shè)計(jì)一種能檢測(cè)滑雪賽道縱剖面硬度的裝置。通過(guò)垂直鉆入賽道的探針式壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集壓力值，根據(jù)壓力值的大小來(lái)反映賽道的硬度。該裝置提供了一種內(nèi)部硬度檢測(cè)的新方法，為高山滑雪賽道的制作提供了科學(xué)依據(jù)[2]。

1 檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的金屬壓痕硬度測(cè)量方式，本文設(shè)計(jì)的雪地賽道硬度檢測(cè)裝置可以檢測(cè)賽道縱剖面不同深度的冰層硬度情況。測(cè)量時(shí)，探針式壓力傳感器垂直鉆入賽道，在鉆入的過(guò)程中實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出和分析，從而計(jì)算出不同深度冰層的硬度值。硬度檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的冰狀雪賽道硬度探測(cè)裝置包括滑軌、云臺(tái)、壓力傳感器、探針等部分，如圖2所示，其中，1代表直流電機(jī)，2代表減速機(jī)，3代表平衡架，4代表滑軌，5代表支撐桿，6代表底座，7代表云臺(tái)，8代表壓力傳感器，9代表探針，10代表防偏導(dǎo)引板，11代表固定架，12代表頂片，13代表固定片，14代表云臺(tái)導(dǎo)向孔[3]。

裝置滑軌上安裝有云臺(tái)，如圖2(B)圖所示。云臺(tái)的上端安裝有壓力傳感器，用于攜帶壓力傳感器在滑軌上做上下垂直活動(dòng)；云臺(tái)的下端設(shè)置有云臺(tái)導(dǎo)向孔；探針活動(dòng)套接在云臺(tái)導(dǎo)向孔中。壓力傳感器通過(guò)螺絲安裝在云臺(tái)上。探針的頂端設(shè)置有固定片，固定片用于防止探針從云臺(tái)導(dǎo)向孔中脫落；壓力傳感器的下端安裝有頂片，固定片與頂片在同一直線(xiàn)上，拆解方便，可在實(shí)際應(yīng)用中更換型號(hào)，其頂片在正常情況下與探針的固定片不接觸，沒(méi)有外部力量作用在壓力傳感器上，減小誤差；工作時(shí)，云臺(tái)向下移動(dòng)，帶動(dòng)頂片和固定片接觸，并將探針頂向冰狀雪賽道[4]。賽道的硬度不同，頂片和固定片之間的壓力就發(fā)生變化，通過(guò)壓力傳感器將壓力數(shù)據(jù)采集出來(lái)。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意

整個(gè)裝置通過(guò)滑動(dòng)云臺(tái)運(yùn)動(dòng)將探針垂直壓入冰狀雪賽道中過(guò)提取壓入過(guò)程中的受力曲線(xiàn)，利用數(shù)值方法提取壓力傳感器承受的負(fù)荷力作為硬度值，以將測(cè)量冰狀雪賽道硬度的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為依據(jù)受壓曲線(xiàn)，提取壓力曲線(xiàn)的某幾個(gè)點(diǎn)作為賽道不同雪層的硬度值。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合完整的嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)

(1)核心控制模塊：選用STM32F103C8T6作為主控芯片，內(nèi)置12位高速模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC) ，能夠滿(mǎn)足壓力傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求。支持I2C，SPI，USART等通信協(xié)議，可方便、可靠地進(jìn)行各種數(shù)據(jù)交互。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊：一般，雪地賽道的硬度值為200 N以?xún)?nèi)，而測(cè)量中的賽道的測(cè)量精度要求達(dá)到1 N。設(shè)計(jì)時(shí)，采用蚌埠大洋傳感系統(tǒng)工程有限公司推出的稱(chēng)重傳感器，最大量程為50 kg，綜合誤差為0.3% full scale，供電電壓5～15 V，輸出靈敏度為2.0 mV/V，能達(dá)到測(cè)量精度、量程的實(shí)際需求。

(3)數(shù)據(jù)輸出部分：能夠顯示當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

(4)運(yùn)動(dòng)控制部分：直流電機(jī)控制探針運(yùn)動(dòng)擠壓雪地賽道。

(5)數(shù)據(jù)通信接口：采用RS485通信方式，將裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無(wú)誤地傳給后臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)雪地硬度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用需求，整個(gè)硬度檢測(cè)軟件包括：主程序、傳感器數(shù)據(jù)采樣、電機(jī)正反轉(zhuǎn)識(shí)別、液晶顯示、RS485通信、USB數(shù)據(jù)保存等。整個(gè)系統(tǒng)采用C語(yǔ)言模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，各功能模塊分別編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)和控制函數(shù)。硬度檢測(cè)設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上電復(fù)位后，主函數(shù)先完成系統(tǒng)上電初始化過(guò)程，包括：STM32系統(tǒng)時(shí)鐘配置、各模塊硬件匹配的輸入輸出口(GPIO)管腳功能初始化配置、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊初始化、液晶顯示初始化以及串口工作方式的初始化[5]。

初始化完成后，識(shí)別探針式壓力傳感器的運(yùn)動(dòng)方向，在鉆入雪層的運(yùn)行過(guò)程中不斷采集傳感器信號(hào)，并實(shí)時(shí)將每次的測(cè)量結(jié)果顯示在液晶顯示器上。在完成一組檢測(cè)后，通過(guò)U盤(pán)將數(shù)據(jù)保存。

5 雪地賽道硬度的測(cè)定

項(xiàng)目組于2019年2月14日對(duì)亞布力滑雪場(chǎng)進(jìn)行踏勘，并對(duì)冰狀雪賽道進(jìn)行了雪坑剖面對(duì)照測(cè)量。在實(shí)際的情況下，由于探針式壓力傳感器存在位移波動(dòng)、采樣系統(tǒng)受溫度影響等因素的干擾，檢測(cè)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)不可能十分平滑，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)，實(shí)際的測(cè)量過(guò)程典型曲線(xiàn)如圖5所示。結(jié)合理論曲線(xiàn)，可以為實(shí)際測(cè)量曲線(xiàn)設(shè)定180 N的閾值，測(cè)量值超過(guò)180 N就是冰層，不到180 N為雪層。

圖5 冰狀雪賽道雪硬度實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需求，基于嵌入式ARM硬件、軟件設(shè)計(jì)雪地賽道硬度檢測(cè)裝置，并開(kāi)發(fā)賽道硬度分析軟件。實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和實(shí)地檢測(cè)的結(jié)果表明：該裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、拆解方便、安裝簡(jiǎn)單、便于雪地?cái)y帶和測(cè)量，可以對(duì)不同厚度的冰狀雪賽道進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，大大保證賽事公平性和安全性。