基于GM8125的鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的研究

錢 鵬，林建輝

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引 言

保障鐵路線路安全是鐵路安全運(yùn)營的關(guān)鍵因素，近幾年由于西南地區(qū)地震等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測成為一個(gè)熱門課題。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是一個(gè)綜合性的監(jiān)測項(xiàng)目，涉及到的專業(yè)包括電子、計(jì)算機(jī)、地質(zhì)學(xué)等。本文針對鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能進(jìn)行研究，對于采用何種數(shù)據(jù)采集方式、何種系統(tǒng)構(gòu)架、何種數(shù)據(jù)傳輸方式等提出思路。

1 GM8125芯片簡介

1.1 GM8125芯片功能概述

GM8125芯片可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制串口擴(kuò)展模式（單通道工作模式和多通道工作模式），既可以指定一個(gè)子串口和母串口以相同的波特率單一的工作，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時(shí)工作。該芯片工作在多通道模式下時(shí)，子串口能主動(dòng)響應(yīng)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由母串口發(fā)送給主機(jī)，同時(shí)返回子串口地址。該模式使得每個(gè)從機(jī)的發(fā)送要求都能被及時(shí)的響應(yīng)，即使所有從機(jī)同時(shí)有發(fā)送要求，數(shù)據(jù)也不會丟失，實(shí)現(xiàn)了主控單元和外設(shè)通信的實(shí)時(shí)性。該芯片母串口和子串口工作波特率可以由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率。

1.2 GM8125芯片的特點(diǎn)

（1）采用寫控制字的方式對芯片進(jìn)行控制。

（2）各串口的波特率可調(diào)。

（3）數(shù)據(jù)格式10位或者11位可選。

圖1 GM8125引腳圖

（4）單通道模式下，最高波特率支持20Mb/s；多通道模式下，子串口最高波特率38400b/s。

（5）子串口數(shù)5個(gè)。

（6）與標(biāo)準(zhǔn)串口通信格式兼容，TTL電平輸出。

（7）在多通道工作模式下，各子串口的波特率等于母串口波特率的6分頻。

GM8125引腳見圖1。

1.3 GM8125芯片的應(yīng)用難點(diǎn)

該芯片應(yīng)用的難點(diǎn)在于：多通道模式下，完成命令字的設(shè)置之后，必須將發(fā)送地址線置為非全0的值后，設(shè)置才生效。由于從發(fā)送地址線置為非全0值到設(shè)置更新還有一定的延時(shí)，如果程序是在寫完命令字后發(fā)送地址線的全0狀態(tài)一直保持到需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才將地址線修改，修改地址線狀態(tài)后立即向芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，將有可能出現(xiàn)第一個(gè)字節(jié)錯(cuò)誤的情況，所以在設(shè)置完地址線后給予幾十微秒的延時(shí)，以保證芯片有足夠的時(shí)間完成設(shè)置更新操作?；蛘呖梢栽谠O(shè)置完命令字后立即修改發(fā)送地址線為非全0狀態(tài)，使新設(shè)置在芯片通訊之前完成生效。

2 對于鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的研究

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

地質(zhì)災(zāi)害對鐵路行車安全危害巨大，控制災(zāi)害的重要途徑是對其產(chǎn)生的早期過程作實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析和預(yù)警。許多國家如美國、英國、韓國、日本、加拿大以及德國等相繼建立了環(huán)境或生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，提高其對工程災(zāi)害與自然災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)報(bào)能力。

當(dāng)前，國內(nèi)外鐵路對滑坡、泥石流研究較多，對山體崩塌和落石研究較少，特別是艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路山體崩塌監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還是空白，對其成因、監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警的有效方法還較少。

2.2 山體崩塌的原因

在數(shù)十年、數(shù)百年乃至上千年的歷史進(jìn)程中，山體由于受到地震、雨水等自然力的作用逐漸產(chǎn)生了卸荷裂縫及溶蝕裂縫。在后期降雨過程中，地下水的靜水壓力、動(dòng)水壓力和巖體重力共同作用，導(dǎo)致坡體產(chǎn)生剪切位移。前期，陡崖頂部或陡壁面會發(fā)生孤石滾落、表層灰?guī)r崩脫，隨后沿小裂縫發(fā)生局部小型崩塌，最后沿貫通大裂縫發(fā)生陡崖大面積崩塌。

2.3 鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)架

2.3.1 全站儀位移采集系統(tǒng)

對于山體整體位置的監(jiān)測可采用全站儀位移采集系統(tǒng)。全站儀又稱為“測量機(jī)器人”，可在孤石群和崩塌體安裝多點(diǎn)觀測靶標(biāo)（棱鏡），通過構(gòu)建參考網(wǎng)和觀測網(wǎng)對山體崩塌體的觀測點(diǎn)橫向和縱向位移進(jìn)行全天候自動(dòng)測量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和智能分析。全站儀采用ATR（automatic target recognition）目標(biāo)自動(dòng)識別技術(shù)。ATR部件同軸安裝在全站儀望遠(yuǎn)鏡里，儀器發(fā)射出的激光束被棱鏡反射回望遠(yuǎn)鏡內(nèi)置CCD陣列，接收光點(diǎn)位置在CCD陣列上計(jì)算出來。根據(jù)計(jì)算出的偏移量來改正水平角和垂直角，控制儀器的馬達(dá)，使儀器望遠(yuǎn)鏡中的十字絲和棱鏡中心匹配，即可自動(dòng)搜索目標(biāo)。ATR可實(shí)現(xiàn)高效測量，黑夜也能不間斷工作。全站儀可以按自定義的時(shí)間間隔自動(dòng)重復(fù)觀測，目標(biāo)點(diǎn)可多達(dá)50個(gè)。

2.3.2 裂縫位移采集系統(tǒng)

可采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器制成裂縫位移采集器，多個(gè)裂縫位移采集器使用RS485總線組成裂縫位移采集系統(tǒng)。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個(gè)光敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，從而得到其角度碼盤角度位移量的增加值（正方向）或減少值（負(fù)方向），進(jìn)而轉(zhuǎn)化為直線位移量的增加值和減小值。如圖2所示，A、B兩點(diǎn)對應(yīng)兩個(gè)光敏接受管，A、B兩點(diǎn)間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。通過輸出波形圖可知每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的時(shí)序如表1所示。檢測A、B兩個(gè)相位脈沖的電平高低和脈沖數(shù)量就可以得出位移的大小和方向。

2.3.3 斷線報(bào)警采集系統(tǒng)

落石是山體崩塌的前兆，因此檢測山體落石是非常重要的一個(gè)項(xiàng)目。可采用斷線報(bào)警采集系統(tǒng)檢測落石進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)山體有落石落下將布線砸斷時(shí)，主控MCU可檢測到相應(yīng)信號，發(fā)出報(bào)警。

圖2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器工作原理

表1 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器時(shí)序圖

斷線報(bào)警采集系統(tǒng)在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上比較簡單。將單片機(jī)通用I/O口設(shè)置為輸入狀態(tài)，在程序中采用查詢的方式，不斷循環(huán)查詢各I/O口狀態(tài)，查詢到高電平時(shí)確定為斷線。而該系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何布線，使得線路成本降到最低。假設(shè)，布線位置到主控MCU的距離是500 m，那么每個(gè)布線回路的距離是1 km，按照3元/米的價(jià)格計(jì)算，每個(gè)布線回路的成本價(jià)格是3000元。假設(shè)有30個(gè)布線回路，成本就是9萬元。而布線回路遠(yuǎn)不止30個(gè)，這樣工程造價(jià)相當(dāng)高。

為有效降低成本，可采用分防區(qū)布線的方式。把需要布線的區(qū)域分為多個(gè)防區(qū)，每個(gè)防區(qū)配置一個(gè)單片機(jī)采集器，各單片機(jī)采集器采用RS485總線的方式連接到主控MCU，主控MCU和RS485總線通過485-232轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從設(shè)防區(qū)域到主控MCU只需要兩根485線纜，即500 m×2=1 km，成本僅為3千元，這樣有效降低了工程造價(jià)。

2.3.4 雨量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

降雨是造成山體裂縫加劇的重要因素。從圖3可以看出，在降雨量大的月份，裂縫位移變化率相對較大。而在降雨量少的月份，裂縫位移變化不明顯。因此，對雨量的監(jiān)測是必不可少的。雨量采集設(shè)備通過RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)到主控MCU，主控MCU和RS485總線通過485-232轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。降雨量與裂縫變形位移關(guān)系見圖3。

2.3.5 GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

圖3 降雨量與裂縫變形位移的關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的特點(diǎn)是：（1）周期長。從開始對有崩塌趨勢的山體進(jìn)行監(jiān)測到崩塌發(fā)生，這個(gè)過程將會持續(xù)幾年乃至十幾年。（2）投資大。設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用、維護(hù)人員的費(fèi)用等投資都比較大?？紤]到這些特點(diǎn)，采用GPRS的方式傳輸數(shù)據(jù)比較合理：1）永遠(yuǎn)在線。GPRS由于使用了“分組”技術(shù)，只要用戶SIM卡處于開機(jī)狀態(tài)，就隨時(shí)與GPRS網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這樣就能保證隨時(shí)發(fā)現(xiàn)隨時(shí)報(bào)警。2）快速傳輸。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率能達(dá)到56～114 kb/s，足以保證整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。3）按量計(jì)費(fèi)。GPRS技術(shù)是一種面向非連接的技術(shù)，用戶只有在真正收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才需要保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，因此大大提高了無線資源的利用率。用戶可以一直在線，按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用。沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)，用戶即使掛在網(wǎng)上，也是不收費(fèi)的，這樣就能有效降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀举M(fèi)用。

采用GPRS網(wǎng)絡(luò)后，將主控MCU的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳遞到上位機(jī)。上位機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)，通過GPRS接收軟件接收數(shù)據(jù)后再處理。

2.3.6 鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)架

以上所述5個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過子串口1-5與GM8125相連接，而主控MCU的串口與GM8125的母串口0相連接。上位機(jī)命令由子串口5通過GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)街骺豈CU,MCU接收到上位機(jī)命令后對1-4子系統(tǒng)發(fā)出采集數(shù)據(jù)命令。系統(tǒng)構(gòu)架圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖5 主程序流程圖

3 串口擴(kuò)展芯片GM8125在鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 硬件連接圖

GM8125母串口TXD0、RXD0兩個(gè)引腳與主控MCU的串口相連接 ，TXD1，RXD1；TXD2，RXD2；TXD3，RXD3；TXD4，RXD4；TXD5，RXD5 分別連接（1）全站儀坐標(biāo)采集系統(tǒng)（2）裂縫位移采集系統(tǒng)（3）斷線報(bào)警采集系統(tǒng)（4）雨量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（5）GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。引腳STA0、STA1、STA2是發(fā)送地址選擇位，連接到 MCU 的 P1.4，P1.5，P1.6，引腳 SRA0、SRA1、SRA2是接收地址位，連接到MCU的P1.0、P1.1、P1.2。

3.2 主控MCU程序設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序流程圖

在主程序中實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）有關(guān)設(shè)備的初始化工作。（2）根據(jù)上位機(jī)命令，對相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行讀寫操作。主程序流程圖見圖5。

3.2.2 串口中斷服務(wù)程序

MCU檢測到中斷標(biāo)志后進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，接收上位機(jī)命令并保存，立刻退出中斷服務(wù)程序。對上位機(jī)命令的具體執(zhí)行過程都在主程序中進(jìn)行。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，而對數(shù)據(jù)的分析則需要在上位機(jī)軟件完成。在上位機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)的功能有：監(jiān)測點(diǎn)位配置、測量數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表管理等內(nèi)容。

4 結(jié)束語

鐵路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測對于保障鐵路安全運(yùn)行有著非常實(shí)際的意義，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤災(zāi)害發(fā)展趨勢，提前預(yù)防和減少重大事故的發(fā)生，保障行車安全，具有深遠(yuǎn)的社會效益。

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