铁路边坡安全监测系统设计

姓名：桂红霞申请学位级别：硕士专业：控制科学与工程指导教师：黎洪生

20100501

武汉理工人学硕十学位论文摘要铁路边坡容易受降雨、地震或风化等因素的影响而产生滑坡，影响铁路系统的安全运营，因此对铁路边坡进行安全监测具有重大的实际意义。目前国内尚无相关的监测系统，针对这一现状，本文对铁路边坡安全监测系统进行了研究。主要内容如下：本文将铁路边坡按照土质来分类，研究了各种不同类型铁路边坡的滑坡影响因素，分析了常用的边坡监测技术、测点布设技术以及监测仪器的优缺点，并结合铁路内部通信网络的特点提出了由现场监测节点、数据汇聚节点和远程监控中心组成的铁路边坡安全监测系统。系统采用铁路内部的光纤网络通信，因此数据传输延时小，无运行成本，可靠性高。设计了针对土质边坡的现场监测节点的硬件结构，进行了以ＳＴＭ３２为核心的硬件设计，具体设计了振弦式仪器和雨量计的信号调理电路、ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４的ＳＰＩ接口电路、与数据汇聚节点通信的ＣＡＮ接口电路、防盗模块的开箱报警电路和太阳能电池板加蓄电池供电电路。硬件电路结构简洁、可靠性高、测量精度高、速度快、开箱报警电路的设计简单可靠。设计了数据汇聚节点的数据传输的硬件电路，它包括￥３Ｃ２４１０的最小系统、对下通信的ＣＡＮ接口电路、与上通信的以太网控制器接口电路、电源供电电路和防盗电路。可以直接移植嵌入式操作系统到数据汇聚节点上，进行功能扩展很方便。系统的软件包括三个部分：现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和远程监控中心的监控软件。各部分按照功能模块进行划分，现场监测节点软件包括数据采集、处理、存储、传输、自身状态检测、命令的接收和执行模块。数据汇聚节点软件包括数据的收发、存储、下层的监测节点的状态监测模块。远程监控中心的监控软件采用ＶＣ来实现，利用ＶＣ的ＳＯＣＫＥＴ控件实现数据的收发；数据存储部分使用ＶＣ的ＯＤＢＣ控件来实现；数据处理部分采用专用的边坡稳定性判断软件，当发现有危险时，进行报警处理。关键词：铁路，边坡监测，现场监测节点，数据汇聚节点武汉理工大学硕＋学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＲａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅｓａｒｅｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｔｏｒａｉｎ，ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓａｎｄｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｆｆｅｃｔｓａｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｒａｉｌｗａｙｓｙｓｔｅｍｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｓｅｃｕｒｉｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｒａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙａｎｄｕｒｇｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｎｏｓｕｃｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔｕｐａｓｎｏｗａｄａｙｓ，ａｎｄｔｈｉｓｉｓｗｈｙｗｅｆｏｃｕｓｏｕｒｓｅｌｖｅｓｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｒａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅｍａｉｎｆｏｌｌｏｗｓ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅｓｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙａｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｓｏｉｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｋｉｎｄｓｏｆｒａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｆｔｈｅａｌｅｓｔｕｄｉｅｄ；Ａｎｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａ币ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｃｕｒｒｅｎｔｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｍｅｔｈｏｄｓａｂｏｕｔｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅ，ａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｉｔｈｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒａｉｌｗａｙｓｌｏｐｅｏｎｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ－ｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅ，ｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｉｓｐｒｏｍｏｔｅｄ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｉｍｐｌｅ，ｓｔａｂｌｅ，ｅｃｏｎｏｍｉｃ，ｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｏｎ－ｓｉｔｅｎｏｄｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｌｌｅｐｌａｔｆｏｒｍｔａｋｅｓＳＴＭ３２ａｓｓｏｉｌｓｌｏｐｅ．Ｔｈｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒｖｉｂｒａｔｉｎｇｗｉｒｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｒａｉｎｇａｕｇｅ，ＳＰＩｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４，ｔｈｅＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅ，ｔｈｅａｌａｒｍｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒａｎｔｉ．ｔｈｅｆｔｍｏｄｕｌｅａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｗｈｏｌｅｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｃｃｕｒａｔｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ，ａｎｄｆａｓｔ．Ｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆ￥３Ｃ２４１０，ｔｈｅＣＡＮｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｅｔｈｅｒｎｅｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔａｎｄａｎｔｉ－ｔｈｅｆｔｃｉｒｃｕｉｔ．ｔｏＥｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＣａｎｂｅｄｉｒｅｃｔｌｙｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｔｈｅｄａｔａａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎｎｏｄｅｓ，ａｎｄｃａｎｂｅｅｘｔｅｎｄｅｄｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔａｉｎｓｔｈｒｅｅｐａｒｔｓ：ｔｈｅｏｎ－ｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅ，ｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅａｎｄｔｈｅｔｏｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒ．Ｍｏｄｕｌｅｓａｌｅｄｉｖｉｄｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｏｎ．ｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅｓｔａｔｕｓｃｏｎｔａｉｎｓｍｏｄｕｌｅｓｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｔｏｒｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ，ｓｅｌｆｃｈｅｃｋｉｎｇ，ｃｏｍｍａｎｄｎｏｄｅｓ．Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｅｘｅｃｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｒｅｍｏｔｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｒｅｓｔａｔｕｓｃｈｅｃｋｉｎｇｏｆｓｕｂ—ｌａｙｅｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｅｌａｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＶＣ＋＋，ｍｅｄａｔａＩＩｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇａｎｄ武汉理ｌ【大学硕七学位论文ｒｅａｌｉｚｅｄｖｉａＳＯＣＫＥＴ，ａｎｄｄａｔａｓｔｏｒａｇｅｉｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｕｓｉｎｇＯＤＢＣ．Ｓｐｅｃｉａｌｉｚｅｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｐｒｏｃｅｓｓｄａｔａａｎｄａｌｅｒｔｗｈｅｎｓｅｒｉｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎ０ＣＣＵｒＳ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ，ｓｌｏｐｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｏｎ—ｓｉｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｏｄｅ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅＩＩｌ独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：挂墨至置。日期：到望：￡堑学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论，Ｉ文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：桂勿霞（注：此页内容装订在论文扉页）导师（签名）：勉乞日期加卜．ｓ．础武汉理ｊＩ：大学硕士学位论文第１章绪论１．１课题研究意义中国铁路已进入高速时代，给日常生活带来方便的同时也增加了行车的风险性。列车的运行速度如此之快，任何微小的外界干扰或自然灾害带来的后果都有可能是致命的，都有可能造成重大的经济损失或者是人员的伤亡。这些外界干扰包括边坡滑坡和塌方落石、强风、暴雨、大雪、地震以及异物入侵等等。本文主要对铁路边坡的滑坡引发的灾害进行研究。近些年来由于铁路边坡滑坡灾害引发的事故频繁发生，在２００７年１０月８日，由于山体滑坡而导致温州铁路丽水段大的列车出轨，虽然侥幸的没有人员的伤亡，但是也阻断了列车的正常运行。在２００７年１２月２６日，宜万铁路的重大塌方事故导致３５人遇难，代价是非常的惨痛的。在２００８年６月３０日，由于山体滑坡导致黎湛铁路一起客车脱轨事故，导致７人重伤。在２００９年７月２９日，焦柳铁路也发生因山体滑坡而引发的事故，造成４人死亡、１１人重伤、２３人轻伤、列车严重受损。铁路滑坡灾害造成的后果是不容小觑的，轻则阻断交通，重则造成重大的经济损失和人员伤亡。因此对高速铁路边坡安全监测系统进行研究是非常有意的。（１）预防、预报灾害，将损失降低到最小通过铁路边坡安全监测系统可以实时的了解所监测的铁路边坡的状态。实时掌握影响其滑坡的各因素的当前状态，包括表面裂缝的大小、边坡滑动的速度、运动的趋势、以及按照这种趋势有没有发生灾害的可能性、如果灾害发生，它可能波及到的地理范围。如果很早就了解边坡的滑动趋势【ｌ】，就可以根据该趋势构造相应的防护网，阻止灾害的发生。如果实在无法阻止，也可以提前进行预报，以避免不必要的经济损失和人员伤亡。因此对铁路边坡安全监测系统进行研究是很有必要的。（２）提高监测系统的可靠性与安全性由于技术水平和经济的原因，目前铁路边坡安全监测处于人工监测的方式，找有经验的人定期对铁路边坡进行检查，然后根据自己的以往的观测经验来预测该边坡的稳定性，从而减小灾害的影响。但是铁路边坡滑坡灾害往往都具有突发性和危险性，往往在强震、暴雨、飓风的情况下发生【２】，这种情况下依靠人工来观测显然是不可能的。人工观测也存在着误差和主观性，从以上各方面综合考虑，武汉理工人学硕十学位论文人工观测法的并不能有效的预防灾害的发生，只有依靠电子设备对其进行全天候的监测才能起作用，因此对铁路边坡安全监测系统进行设计是非常有必要的。（３）铁路边坡安全监测系统的可行性铁路的高速化使得对铁路边坡安全监测系统进行建设已经成为铁路建设中的一个刻不容缓的任务，目前我国的铁路边坡安全监测仍然处在一个很初级的阶段，而同属于边坡监测系统的大坝安全监测系统目前则向着数字化、智能化、网络化的方向迈进，远远的领先于铁路边坡安全监测系统的发展。两者同为边坡安全监测方面的问题，虽然实际的应用环境不一样，但却有很多相同的成分，所以很多的关于大坝安全监测方面的知识与经验都可以应用到铁路边坡安全监测系统中，所以建设铁路边坡安全监测系统是具有可行性的。从上面的分析可知，对铁路边坡安全监测系统进行研究既具必要性，又具可行性。因此本课题选择对铁路边坡安全监测系统进行研究是很有意义的。１．２国内外研究现状由于防灾意识的薄弱，现阶段我国对铁路防灾安全监测系统的认识仍处在理论性的研究阶段，存在着很大的局限性与片面性。对铁路防灾系统的认识没有一个全方位的认识，导致现有的铁路安全监测系统根本就不能满足提速后的要求。目前主要采用人工观察的方式来收集自然灾害的信息，根本就不适应高速铁路的发展趋势。目前对于铁路边坡进行滑坡监测也是依靠人工的方式来完成的。因此建立符合我国铁路现状、国情和环境的铁路边坡安全监测系统是铁路建设中的一个很重要的部分。日本经常发生地质灾害，很早就开始了对铁路防灾安全监测系统的研究，其中最成功的就是新干线，运行了几十年都没发生什么重大事故。它采用的是ＣＯＳＭＯＳ综合运营管理系统的子系统，在早期的列车运营系统的基础上，沿线的采集气象、地震、轨温、异物入侵等环境量，实现了一个高安全性的系统。法国高速铁路的安全监测系统与日本的铁路安全监测系统类似，对气象环境、电网电压、异物入侵、轴温等因素进行了监测，此基础之上，还增加了设备检测和报警的功能，进一步保证了系统的安全运营。在铁路安全监测系统上，德国的铁路安全监测系统的安全性也很高，可以及时的预报突发的自然灾害对行车的影响，掌握各种设备的运行状态【３】。国外的铁路安全监测系统相对于中国来说是很先进，可以参照国外的铁路安全监测系统对中国铁路边坡安全监测系统进行设计。提高系统的可靠性与性能。２武汉理１：大学硕士学位论文１．３主要研究内容本文的目的就是针对中国铁路边坡的现状，设计一个符合中国国情和自然环境现状的、具有可靠性、高度自动化的铁路边坡安全监测系统。使它能够对滑坡灾害进行预报或者预防，将铁路滑坡造成的损失减少到最小。本文需要解决的主要问题如下：（１）监测系统的总体方案设计研究铁路边坡的破坏形式和导致它破坏的因素，从而确定系统的监测参量。研究目前常用的边坡稳定性监测技术和仪器，为系统选择合适的监测技术和仪器。研究边坡监测中监测节点的布设方法，合理的布置系统的监测节点。根据铁路通信系统的结构，合理的设置铁路边坡安全监测系统的架构。（２）铁路边坡现场监测节点硬件设计针对具体类型的边坡选择合适的监测量，研究各监测仪器的结构和工作原理，设计合理的信号调理电路，选择合适的控制器，设计ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４存储器接口电路、ＣＡＮ总线通信接口电路。针对铁路边坡所处的环境设计太阳能加蓄电池供电的模式。针对现场监测节点的安全性需求，设计具有防盗功能的开箱报警电路。（３）铁路边坡数据汇聚节点硬件设计针对扩展功能和开发周期的要求，选择了三星的￥３Ｃ２４１０微处理器，设计了它的最小系统。设计ＣＡＮ通信接口电路、以太网控制器ＣＳ８９００的接口电路、供电电路和防盗电路。（４）铁路边坡安全监测系统软件设计铁路边坡安全监测系统的软件包括现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和远程监控中心软件。现场监测节点的软件包括监测数据的采集、滤波和处理部分，数据存储和上传部分，命令的接收和执行部分以及防盗处理部分。数据汇聚节点包括现场监测数据的接收部分、远程监控中心控制命令的转发部分、现场监测节点的自身状态判断部分以及防盗部分。远程监控中心包括数据的收发部分、存储部分和数据处理部分。３武汉理工人学硕士学位论文第２章铁路边坡安全监测系统方案设计本系统总体设计方案的内容包括：结合中国铁路边坡的实际情况找出引起滑坡的各个因素，选择合适的监测参数；选择合适的监测技术；合理的布设监测节点；合理的设计系统的架构。２．１引起铁路边坡破坏的因素分析铁路边坡的破坏形式以崩塌破坏和滑坡破坏为主，有的破坏介于两者之间，还有的以流动、剥落等等形式出现，有的破坏是这几种形式的结合。崩塌经常伴随着强烈地震或强暴雨发生在坡顶有裂缝的地方。它可能是由风化导致粘聚力力减小引起的，也可能是因为雨水进入裂缝产生的水压引起的，或者是由于地震、雷击等因素造成的。风化与水分和温度密切相关，因此对于易于发生崩塌破坏类型的边坡要监测表面裂缝、温度、水分、雨量、地震等因素。滑坡是由于岩土体重力的作用导致岩土体内的软弱面产生整体的滑动而引起的【４ｌ。它发生在岩土体内部，破坏速度比崩塌慢。所以对于滑坡的监测最重要的是监测深部位移。铁路边坡按照组成的介质可分为岩质边坡和土质边坡。岩质边坡容易发生崩塌破坏而很少会发生滑坡破坏，除非是岩体内有软弱层或风化层，或者是岩坡的倾角很陡并伴随有地下水活动，此时边坡会向着软弱层滑动，对于这种滑坡破坏还要监测地下水位。软岩质边坡被风化或受潮之后也容易产生滑坡现象，这种形式的滑动在表面发生，对于这种滑坡还要检测湿度。土质边坡容易发生滑坡破坏，因为它的上层比较稀疏，透水性很强，如果有水的话会软化。下层很密致，受水的作用比较小，因此在它们的分界面处容易形成软弱面，容易沿着这个滑动面产生滑坡破坏。因此对于土体滑坡要监测地下水位和降雨量。影响铁路边坡稳定性的因素与它的组成成分、外形、内部的结构面的构成、外界环境等因素息息相关。所以针对不同地段、不同结构、不同形状的铁路边坡进行监测时，要结合它的实际情况选择合适的参数。这里将铁路边坡按照组成成分来类。分为坚硬的岩坡（崩塌破坏）、内部有软质层的硬岩坡（崩塌和滑坡破坏）、软质岩坡（崩塌和滑坡破坏）、土质边坡（滑坡破坏）四类。大致的监测参数如图２．１所示。但是在选择具体的监测因素时要结合铁路边坡所处位置的实际环境和边坡的实际构造来进行选择，这里只是给出一个大致的方案。４武汉理工大学硕士学位论文坚硬的硬质岩坡内部有软弱层的硬质岩坡软质岩坡土质坡图２．１铁路边坡的分类及其监测因素２．２铁路边坡变形监测技术研究铁路边坡安全监测属于边坡变形监测的范畴，现阶段用于边坡变形监测的技术有以下几种【４】：（１）简易观测法以人工的方式定期的对坡体进行观测。优点是可以从宏观上了解边坡的状态。缺点是不具实时性，如果观察的时间间隔很久，就不具备预测的作用，而且它还掺杂了人的主观性【５１。（２）大地测量法通过测角或测距来测量边坡的二维水平位移和垂直位移。优点是监测范围广、可以找出要重点监测的位置、量程大、测量的位移是绝对值，可以掌握边坡的变形性态。缺点是易受天气和地形的影响、劳动强度大、测量周期长、不能实现自动化监测。（３）ＧＰＳ测量技术利用ＧＰＳ卫星定位技术确定待测点三维坐标，从而判断该测点是否有发生滑坡灾害的可能。优点是精度高、测量速度快、能够连续观测、实现自动化监测系统。缺点是费用高，不符合我国的经济形势。虽然现阶段出现了一机多天线的测量模式来减少成本，但它的高价格是仍然不能被中国庞大的铁路系统所接受的。武汉理ｒ：人学碗十｝恤论文（４）仪表观测法利用精密仪器对边坡的破坏机制进行监测从而判断边坡的稳定性。优点是能够实现臼动化监测、测量速度快、精度高、集数据的采集、忙输、管理、分析与身。缺点是蹙程有艉、元件易老化、可靠性也有待考证。观阶段ｌＵ了仪器都在向着工业化的方向迈进，很多传感器和电子元件都具有防雨、防风、防震、防雷、防腐蚀等特性，可以满足：Ｉ：作环境与可靠性的要求。（５）远程监测技术是远距离传输技术和Ｉ乜子仪表技术的结合，可以实现对边坡的远程自动监测。优点是可以进行全天候的观测、集数据采集、存储、处理于一体、高度自动化、省时省力、可靠性好。缺点是容易受到传感器质量的影响、运行中容易产生故障、数据传输时有中断。通过上面的分析可知，地坡变形监测技术苒有优劣．它们在精度、实时性、测量范崮、经费、应用条件、可靠性等等方面或多或少的部存在着一此问题。能够进行自动化的测量．实现网络化的传输，进行智能化的管理足变形监测技术的发展方向。综台各方面的性能比较这罩选择远程监测技术。２，３铁路边坡监测节点的布设目前监测点的布设一般聚用人工的方式，依靠有经验的人根据自己多年的观察经验柬进行布醴。对于滑动方向和变形范围明确的边坡一般采用十字形布设法，一般深部位移测量孔铺设在滑动方向上；如果不确定则一般采用放射形布设的方式．它一股将深部位移测量孔铺设在不同方向的交叉处‘“。十字形布设法和放射形布设法图如图２—２所示。震图２—２十字形布设法和放射形布设法图布设监测点时，首先要布置测线，利用大地测量法找出要监测的范围，根据主滑动方向和变形的范围确定测线，选择典型的断面，布黄测线，再按照测线布置相应的监测点。然后将各测线组成～个监测网，监测网的布设不仅要体现某个武汉理工大学硕七学位论文面的特性，也要体现空间性，如主滑动面和可能的滑动面、组成边坡的各地质分界面、不同的风化带上都要布设测点，这样可对整个边坡的破坏过程进行全面的监测，最后要在关键的变形位置要加强节点的布设，在深度和密度方面都要加强。２．４铁路边坡安全监测系统总体方案设计监测系统设计的好坏直接影响着系统的性能。在设计监测系统时要考虑精度、可靠性、稳定性、灵敏度、使用的方便性等需求。２．４．Ｉ铁路边坡监测仪器的选择选择仪器时要考虑性能、埋设、测量、读数和经济性等因素【６】。由上面的分析可知，要监测边坡变形需要监测表面裂缝（裂缝计）、温度（温度计）、雨量（雨量计）、地震（地震仪）、深部位移（多点位移计）、地下水位（渗压计）等等因素。其中裂缝计有差动电阻式、振弦式和电位器式等形式，多点位移计也有差动电阻式和振弦式，渗压计也有差动电阻式和振弦式等形式。为了使测量与读数方式统一，选择差阻式或振弦式仪器来进行形变量的测量。对于环境量的监测选择相应的仪器或利用当地的气象预报与地震预报。差阻式仪器适用于潮湿的工业环境、稳定可靠、寿命长、埋设起来也方便。它的测量精度、灵敏度都比振弦式仪器低、而且体积大、检测的精度易受温度和芯线电阻变化的影响。对连接电缆的要求高，不适合远距离传输与建立自动化监测系统。在初期，差阻式仪器的测量都采用三芯电缆接法，随着芯线电阻阻值影响的日益显著，研究出了四芯、五芯、六芯的接法，改善了测量的性能、提高了测量的精度、增加了传输的距离。但是也造成了连接的不便等问题，因此影响了系统的稳定性与可靠性。而且国家没有出台相应的标准，使得各厂商制造产品的不统一，影响了仪器的通用性１７］ＩＳ］【９１００］［ＩＨ。振弦式仪器结构简单，使用稳定可靠。结构坚固，寿命长。输出的是频率信号，稳定性高、能够抵抗强干扰、精度高，也可以很容易的与ＭＣＵ进行接口。它在传输中不受距离的影响、对传输电缆的要求也不高。与标准的输出为电压或电流信号的仪器相比，它的防雷性能也更好；能够防湿防潮。它很适合被用在岩土工程监测系统中［１５】，经比较本文选择振弦式仪器【１２】【１３】。７武汉理工大学硕士学位论文２．４．２铁路边坡安全监测系统架构的选择铁路边坡安全监测系统由现场监测节点、数据传输网络、计算机远程监控中心三部分组成。对于岩坡而言，其中硬质边坡，需要监测温度、水分、雨量、地震、裂缝等量；含有软弱层的岩质边坡它还要监测深部位移和地下水位；对于土质边坡需要监测雨量、地下水位、渗压、裂缝、深部位移。边坡安全监测节点需要根据边坡的实际类型选择合适的参数进行监测，获取相应的物理量，然后把数据上传到远程监控中心进行处理。数据传输网络有两种方案可供选择，一种是采用有线的方式，另一种则是无线的方式。采用无线方式的系统架构图如图２．２所示。匦囹圈囤图２．２采用无线传输方式的系统架构图无线网络已覆盖了铁路线路，因此采用有线的方式是可行的。它使用ＧＳＭ短信方式或ＧＰＲＳ流量的方式来传输数据。为了节省数据传输的成本，应该选择ＧＰＲＳ流量的方式。采用上网方式时，如果ＧＰＲＳ模块在长时间内没有数据流量就会自动掉线，ＧＰＲＳ模块掉线后，仅仅只需很短的时间就可以重新建立一个新的网络链接（一般小于Ｉｓ），但是在链接之后会被分配另外一个不同的ＩＰ地址。这样监控中心就不能主动的向现场监测节点主动的发起通信链接，就无法向其发送控制命令。要想不掉线则需每隔一定的时间发送一个维持包，但是这样会浪费网络资源。可以采用ＧＰＲＳ流量和ＧＳＭ短信的相结合的方式来解决这个问题。当现场监测节点向远程监控中心上传监测数据时采用ＧＰＲＳ流量的方式，远程监控中心向现场监测节点发送数据的时候采用短信的方式。武汉理工大学硕士学位论文采用有线的传输方式可以采用铁路内部光纤通信网，高速铁路在铁路两侧的槽道内分别铺设了光缆，光接入设备设的组网是每隔３Ｋｍ左右通过光纤将其引入到通信机房内。要根据光纤接入口的位置来组网。采用有线传输方式的系统架构图如图２．３所示。心图２．３采用有线方式传输的系统架构使用光纤传输时，在光纤接入口处就要设置一个数据汇聚节点，接收它附近的１．５公里以内的现场监测节点监测的数据，现场监测节点与数据汇聚节点之间可采用ＣＡＮ总线、４８５总线或ＲＦ无线传输的方式。ＣＡＮ总线的最大传输距离可达到ｌＯＫｍ，４８５总线最长能够达至Ｕ１２００ｒａ，目前ＲＦ无线传输距离可达１．６Ｋｍ，显然使用ＣＡＮ总线和ＲＦ无线传输都能够达到要求，但是ＲＦ无线传输方式易受环境的影响，考虑到传输的可靠性问题，本系统选择ＣＡＮ总线。数据汇聚节点接收到现场监测节点的数据之后，将数据通过光网络传送到远程的计算机监控中心。无线传输方式的系统架构显然比有线传输方式简单，实现起来也相对容易一些，但是采用无线传输方式时，系统的建设成本很高，只要是系统在运行就存在着运行成本。在数据传输时存在着无线传输延时的问题，这对系统可靠性的影响是很大的。因此无论是从可靠性还是经济性方面来考虑，无线传输方式都不是一个好的选择。有线传输能够保证高效可靠的数据传输，只要建成了就可以一劳永逸，没有任何的运行成本，综合这几点的考虑，这里选择有线的传输方式。远程监控中心的作用就是接收各汇聚节点传来的数据，根据边坡稳定性相关的理论来判断所测边坡的稳定性，如果发现有滑坡的危险，则要报警。９武汉理工大学硕士学位论文２．５本章小结本章首先分析了铁路边坡的破坏形式和导致它破坏的因素，按照地质组成对铁路边坡进行了分类，指出了各类边坡稳定性的影响因素，从而解决了各类边坡的监测参量问题。接着研究了目前用于边坡变形监测的各方法的优缺点，选择了精度高、价格低、可靠性好、适合建立网络自动化监测系统的远程监测技术作为系统的核心监测技术。然后介绍了现场监测节点的布设方法，随后分析了用于变形监测技术的仪器的类型，比较了差阻式仪器和振弦式仪器的优劣，选择了精度较高、可靠性、通用性较高的振弦式仪器作为变形监测仪器。最后比较了有线传输和无线传输的系统架构的特点，采用高稳定性、可靠性、费用低的有线传输方式来构建铁路边坡安全监测系统。ｌＯ武汉理１＝大学硕士学位论文第３章铁路边坡现场监测节点硬件设计铁路边坡的组成成分不同，外形不同，所处的外界环境不同，则引起其滑坡的因素也不相同，现场监测节点所需监测的物理量也不相同。这里以土质边坡为例来进行现场监测节点的设计。对于土质边坡需要监测雨量、渗压、表面裂缝、深部位移。土质边坡现场监测节点的结构图如图３．１所示。图３．１土质边坡现场监测节点的结构图铁路土质边坡现场监测节点的硬件电路包括：表面裂缝计、多点位移计、渗压计和雨量计的防雷击电路和信号调理电路；微控制器模块；外部存储器模块接口部分；数据传输模块ＣＡＮ总线接口部分；电源供电模块和防盗模块。３．１表面裂缝计的信号调理电路设计３．１．１表面裂缝计的工作原理表面裂缝计用于测量表面裂缝的开合度，这里选用振弦式的仪器。它的核心部件是一个振弦式的感应元件，通过此元件来测量裂缝。感应元件由振弦、两个固定端子、线圈、铁片、永久磁铁等部件组成【１４１，等效结构图如图３—２所示。武汉理工大学硕士学位论文固定端图３．２表面裂缝计等效结构图当线圈中有电流时，就会产生电磁场，铁片就会被线圈的电磁力吸引而向线圈运动，振弦也会跟随铁片一起运动，当线圈中无电流时，电磁场消失，没有电磁力的作用，铁片的重力会导致它背离线圈运动，振弦也会随着它一起动。在脉冲电流的作用下，振弦会产生周期性的振动。当电流的频率与弦丝的固有频率相近时，它们会共同振动。振弦就会切割由永久磁铁产生的磁力线，线圈中会产生与振弦的固有频率相同的感生电动势。振弦的固有频率可由式３．１得到。一＝——ｆ——厂：土．ＩＴ一！．／型（３－１）２ｚ～Ｐ，２１、『Ｐ，ｚ，＝——１）。各参数都是关于振弦的，各物理量的含义如下【１４】：厂是固有频率，是长度Ｔ是受到的应力Ｐ，是体密度（密度／横截面积）△Ｚ是受到张力后长度的增量Ｅ是弹性模量仪器选定后，振弦的长度、体密度、弹性模量也就随之确定了，在式（３．１）中为常量，推出它的长度变化量与固有频率存在着一一对应的关系。在表面裂缝计中长度的变化量就是裂缝的开合度，即裂缝的开合度与其内部振弦的固有频率存在着对应关系，只要测出振弦的固有频率就可以求出相应的裂缝的开合度。而振弦的固有频率又与拾振线圈中感应电动势的频率相同，所以只要测出感应电动势的频率即可求出表面裂缝的开合度。３．１．２表面裂缝计的选型表面裂缝计使用的是振弦式仪器，振弦式仪器按照封装线圈数目的不同，有单线圈和双线圈两种类型。前者的线圈要采用分时复用技术，开始是作为激振线圈，激振完后就充当拾振线圈来生成感生电动势。它工作采用“拨振＂技术，首先对线圈施加激振脉冲，此时线圈为激振线圈，激振完成之后停止激振，线圈中感应出电动势，此时的线圈为拾振线圈。双线圈型中有一个激振线圈，一个拾振线圈。一般采用“自动谐振＂技术，通过正反馈电路来激励线圈【１５１。单线圈比双线圈少一个线圈，体积比较小，器件数目也比较少，因元器件故１２武汉理一Ｉ：人学硕十学位论文障而出现事故的概率比较小，稳定性也比较好。单线圈只需要两根导线来传输信号，双线圈需要四根，当需要进行长距离传输，使用单线圈可以节省成本；双线圈的激励电路麻烦，容易产生倍频的干扰，导致传感器不能正常工作，所以本文使用单线圈型的表面裂缝计【ｌ６１。采用单线圈型表面裂缝计测量裂缝开合度的步骤为：首先对线圈进行激振，激振完成之后，振弦会以其固有频率振动，在拾振线圈中就会产生与该频率相同的感应电动势，只要测出了感生电动势的频率，就可以确定相应的裂缝开合度。温度对裂缝的测量影响很大，必须进行温度补偿。表面裂缝计的接口电路包括三部分：激振电路、测频电路和温度补偿电路。表面裂缝计的信号调理电路的结构框图如图３．３所示。・一激振电路卜一振弦式传感器—叫温度补偿电路卜．啼—叫拾振电路卜一ＭＣＵ图３－３表面裂缝计的信号调理电路结构框图３．１．３表面裂缝计的激振电路早期对单线圈的激振采用的是间歇式激振技术，它用张弛式的振荡器与继电器结合来对线圈进行激振【１７】。在表面裂缝的测量中，裂缝的开合度连续变化，因此裂缝计的频率也是连续。对于这种方式即使是采用多谐振荡器，输出信号的频率也只有有线的几种，则不能可靠的激振，测量的精度也不高。而且继电器工作也不可靠、耗能量大，这种方法并不可取。现阶段一般采用扫频技术来激振，当前的ＭＣＵ一般都具备ＰＷＭ功能，只要简单的设置几个寄存器的值，就可以产生不同频率的ＰＷＭ脉冲信号。要控制它输出某一频率范围内的脉冲信号是非常容易的，因此这里使用它来对表面裂缝计进行激振。ＭＣＵ中ＰＷＭ的脉冲驱动能力很弱，需要进行放大处理才能驱动表面裂缝计。线圈需要的触发电压的范围为１２．１６Ｖ［１８】。它所需的电压远大于ＭＣＵ所能承受的电压范围，如果因为故障使线圈上的电压直接加到了ＭＣＵ，就会烧坏ＭＣＵ，表面裂缝计与ＭＣＵ的距离可能很远，如果强制共地也会引入干扰，鉴于以上两点必须进行信号隔离。野外的带电物体容易遭受雷电的攻击，防雷击电路也是必不可少的。扫频电路结构图如图３．４所示。表面裂缝计的扫频电路图如图１３武汉理＋Ｔ：大学硕士学位论文３—５所示。图３．４表面裂缝计扫频电路结构框图接口Ｄ２ｉ驱动放大电路防雷击电路％培模拟开关图３．５表面裂缝计的扫频电路图信号隔离电路选用光电隔离器件ＴＬＰ５２１，它能够稳定的工作频率可达２０ＫＨｚ，而ＰＷＭ脉冲的频率范围为４００．４５００Ｈｚ，所以满足本系统的要求。驱动放大电路使用三极管９０１３来实现，给线圈施加２００．４００ｍＡ的电流才能对表面裂缝计进行激振。当９０１３工作在饱和区时，流过它的电流为５００ｍＡ，当通过它的电流为２００．４００ｍＡ时，９０１３近似工作于饱和区。如果长期工作于此状态，其寿命会受到影响，发热量也会很大，使用时必须加上散热装置，因此本系统采用两个三极管来分摊线圈的电流。三极管上的电流为１００．２００ｍＡ，线圈可１４武汉理一厂火学硕士学位论文以等效为串联的电感与电阻，对其施加脉冲电流的时由于电感的稳流作用会产生脉冲干扰，因此需要加一个快恢复二极管进行续流。现场监测节点可能需要同时测量相邻的几点的表面裂缝的开合度，它们使用的是相同的仪器，处理电路完全相同，所以可以复用电路，减少成本。这里设计一个多通道复用电路，采用１６通道的ＣＤ４０６７。雷电容易在电源线与数据输入输出线部分引入，因此防雷击电路应该设计在电源输入部分、数据输入输出部分和输出端的外线上【ｌ９１。常用压敏电阻、瞬间抑Ｎ－极管和自动回复保险来组成防雷电路，压敏电阻与要保护的部分并联连接，当外加电压很低时，压敏电阻的电流很小，不会影响另Ｉｊ的电路的正常工作，当电压很大时，压敏电阻器的电流会很大，与之并联的电路的电流并不大，从而起到保护元器件的作用。瞬间抑Ｎ－极管ＴＶＳ的作用是快速的泄放压敏电阻未放完的电流，自恢复保险在电流过大时会变成高阻态，从而切断通路。３．１．４表面裂缝计的拾振电路设计表面裂缝计的感生电势很微弱（ｍｙ级别），不是ＭＣＵ能够直接处理的范围，因此放大环节必不可少。裂缝计工作在野外，受到的干扰也很严重，有用信号可能被噪声信号所淹没，所以滤波环节也是必须的【２０１。对表面裂缝计的信号进行处理有两种方式：（１）先放大再滤波本系统的放大倍数很大，超过了单级放大器的能力，需采用两级放大器级联形式。放大器的带宽是有限的，带宽之外的噪声信号会被滤掉【２１］１２２１。但如果在带宽内存在很强的干扰，经过一级放大后干扰会变得更大，作为第二级放大器的输入可能使放大器的ＭＯＳＦＥＴ脱离恒流区而进入线性区，从而导致噪声信号失真。由傅里叶变换可知，失真的信号可以分解成频率从零到无穷大之间的任意值，会在有用信号的范围内产生额外的干扰。现在大多都采用频率滤波的方式，要滤掉这额外的干扰几乎是不可能的，所以采用先放大再滤波的效果不好【２３】【２４】【２５】【２６１。（２）先滤波再放大由于有用信号很微弱，信号的频率又是一个范围值，滤波器在边界附近的处理效果也不好，信号只在很小的频率段内不衰减。如果待测信号的实际频率和这个频率段相差很远，信号就会被衰减得更微弱，所以采用先滤波再放大的方式效果也不好。这里采用先前置放大后滤波然后再放大的方式，它可以处理先放大后滤波产武汉理工人学硕士学位论文生的附加干扰问题，也解决了先滤波再放大对有用信号的衰减问题【２７】【２８】。处理之后感应电动势就转换成了等频率的Ｖ级的正弦信号，经过零比较器的处理后，转换成了脉冲信号，可以由ＭＣＵ测出该脉冲信号的频率，即表面裂缝计的拾振线圈的感应电动势的频率。表面裂缝计拾振电路的结构框图如图３－６所示，电路图如图３．７所示。图３－６表面裂缝计拾振电路结构框图图３．７表面裂缝计拾振电路图与运算放大器相比仪表放大器能够在有噪声的环境下放大小信号，可以选择１６武汉理工人学硕十学位论文性的放大差分信号而抑制共模信号。具有高共模抑制比、能处理的信号可以小到ａｖ级别、自身的噪声也很低、输入阻抗高、提高了输入信号源的带负载能力、带宽比较宽、对电源的要求比较低、仅通过内部的引脚连接设置就可以改变增益、很适合用来处理传感器输出的信号，所以本设计中采用仪表放大器。本系统的放大倍数约为２０００，如果采用外接电阻来设置仪表放大器的增益，由于外部电阻和内部封装电阻的温度系数的不一致，会引入额外的误差。采用其内部可以设置的增益值。设置前置放大倍数为１０，后置放大倍数１００，滤波器的放大倍数设置为２，仪表放大器选择ＡＤ６２８。信号的频率范围为４００—４５００Ｈｚ，设置～个带通滤波器，它由高通和低通滤波器串联而成。高通滤波器的截止频率为２００Ｈｚ，低通滤波器的截止频率为５０００Ｈｚ［２９】【３０】【３ｌ】。滤波器的阶数越高，转折点的折线就越陡，对噪声的抑制能力也就越强。但阶数太高会影响稳定性。这里均设置为２阶【２５１。测量频率可以使用有周期测量法或者脉冲计数法。设待测信号的频率为＾，ＭＣＵ的时钟频率为以，显然此系统中厶＜兀，如果频率很低，低到以／厶＞厶，此时在待测信号的一个周期内，ＭＣＵ时钟的计数值比待测信号的频率值还高，此时使用周期测量法精度更高。反之应该采用脉冲计数法。本系统中信号的频率范围为４００．４５００ＨＺ，而ＭＣＵ的时钟频率一般为１２Ｍ，依据以上的分析可知采用脉冲计数法精度比较高。采用常规的脉冲计数法是存在问题的，它的原理图如图３．８所示，等精度测量法的原理图如图３．９所示。：÷—————————一计数时间————————————一兰兰竺！！！兰ｎ几门几ｎ几几几几几ｒ］几ｒ］ｎｒ］几几几ｎ几几ｒ］ｎ几竺竺竺！！竺兰厂］厂］厂］厂］厂］厂］厂］厂］厂］一图３．８常规脉冲计数法原理图图３－９等精度测量法原理图采用常规脉冲计数法时，如果待测脉冲信号没有出现在开始和结束测量的时武汉理丁大学硕士学位论文刻，就会引入误差，采用等精度测量可以解决此问题。它的测量原理为：当待测信号的上升沿到达时，触发基准脉冲信号，并同时对两种信号进行计数。当计数时间结束时，如果待测信号的上升沿没出现，则继续计数，直到待测信号的上升沿出现时才停止对两种信号计数。等精度测量法也存在着误差，就是停止计数时，基准脉冲的上升沿没有达到的情况。但由于基准脉冲的频率较高，误差相对来说小一点。下面对等精度测量法的误差进行分析，设规定的计数时间为ｔ。，基准信号的频率是＾，并且基准信号源没有误差，待测脉冲信号的频率为厶，实际的计数时间为ｔ。，在计数停止时基准信号脉冲的计数值为刀。，待测脉冲信号的计数值为％，则待测脉冲信号的频率由式３．２可求出。厶：堕以‰（３．２）由式（３－２）可知，测频精度与两个因数有关，一个是标准信号的量化误差，另一个是标准脉冲的实际计数值。标准脉冲的实际计数值与实际的计数时间有关。因此实际的计数时间越长【３２１，标准脉冲的频率越高，待测频率的测量误差就越小。本文使用的仪器是单线圈的，线圈要进行复用，激振完之后它作为感应线圈，在空气阻尼的作用下感应出的频率信号会逐渐衰减，最后还会消失，可以持续的最长时间为１ｓ，所以实际的计数时间是非常有限的。处理器的速度也是有限的，测量时只能尽量取最大值，从而减小误差。等精度测量电路有两个关键部分：一个是同步开始计数的时间。在待测脉冲和标准脉冲都是上升沿的时候才开始计数。另一个是停止计数时间。在规定的计数时间结束时，如果待测信号的上升沿刚好到来，则在此时停止计数。如果还没有来，则在待测信号的最近一个上升沿到来的时刻停止计数。所以此部分需要两个控制信号，开始计数的信号和是停止计数的信号。基本脉冲信号采用ＭＣＵ中的定时器来产生，ＭＣＵ工作在定时中断方式，在中断处理程序中对标准脉冲进行计数。等精度测量电路的结构图如图３．１０所示。待测冲信图３．１０等精度测频电路结构图武汉理ｊ。ｒ＝大学硕士学位论文此电路的工作原理为：当激振功能完成之后就进入测频部分，此时ＭＣＵ使得开始计数控制信号有效（为高电平），当待测脉冲信号的上升沿到达时，Ｄ触发器的Ｑ端输出高电平信号，ＭＣＵ检测计数启停控制信号引脚，如果该引脚为高电平则开始计数。规定的定时时间结束时，ＭＣＵ设置计数控制信号引脚为低电平，此时Ｄ触发器的输出不会改变，只有待测信号的下一个上升沿到达时，Ｑ才会输出低电平，因此当ＭＣＵ检测到计数启动控制信号引脚为低电平时停止计数，此电路可以达到改进方法的要求。３．１．５表面裂缝计的温度补偿电路设计由于表面裂缝计的振弦和固定端子所用的材料不同，温度系数也不同，因此当温度变化时，它们受温度而引发的形变量就不一样，导致弦长的变化不仅反映了表面裂缝的开合度的影响，还夹杂着由于温度变化而引起的形变成分。因此即使是裂缝大小相同，温度不相同，测量的频率结果也不同，必须做温度补偿。温度补偿就是要测出温度，测温可用热电偶或热敏电阻，振弦式仪器里都封装了热敏电阻，热敏电阻的阻值与温度一一对应，只要测出阻值然后查表就可以求出相应的温度，再根据温度来做频率补偿【３３】【３４】【３５】【３６】。本文采用将电阻转换成电压的方法来测量电路，让恒定的电流通过热敏电阻，测得它上面的电压值就可以求出电阻值，迸一步求出温度值，然后做出相应的补偿措施，温度补偿的电路如图３—１１所示。图３．１ｌ基于恒流源的热敏电阻温度补偿电路以上就是表面裂缝计接口电路，多点位移计用于测量深部位移的变化，渗压计测量的是地下渗水压力，它们都是选用的振弦式的仪器，模型和表面裂缝计相似。如果它们选择相同类型的振弦式仪器，也可以使用上面的信号调理电路来进行信号调理。１９武汉理．１ｊ大学硕士学位论文３．２雨量计的工作原理用翻斗式雨量计进行降雨量的测量时输出的是脉冲信号，很容易与ＭＣＵ接口，适合用来建立自动化监测系统，因此本文选择翻斗式雨量计ＪＤＺ０２．１。ＪＤＺ０２．１由漏斗、磁敏开关、磁钢、微调螺钉等组成，磁钢固定在翻斗部件上。等效物理结构图如图３．１２所示。翻图３．１２ＪＤＺ０２．１等效物理结构图在初始状态时，翻斗与固定磁敏开关所在水平线的距离最大。降雨时，随着时间的累积，翻斗中的雨水会累积变多。当水量累积到一定程度时，在重力的作用下翻斗会倾向一侧倒水，磁钢和磁敏开关的距离变小。在磁钢的磁场的作用下，磁敏开关的两个簧片极性会变得不刚３７】【３８】【３９１【４０１。它们就会相互吸引，当磁钢和磁敏开关的距离ＩＪ，Ｎ某一程度时，吸引力恰好能够克服弹力，节点就会闭合，发出一个脉冲信号。将雨量信号转变成脉冲信号，计数脉冲信号可以测得雨量。翻斗在倒水的过程中会与微调螺钉发生碰撞而反弹，如果反弹的距离太大，足以使两簧片吸合产生一个脉冲信号，就会产生计数误差，这个脉冲并不是由雨量引起的，而是机械抖动所致。翻斗式雨量计从磁敏开关吸合到翻斗反弹稳定所需要的最小时间为２００ｍｓ，在接收到的有效脉冲后应该放弃接下来２００ｍｓ之内任何脉冲信号，可以采用硬件或软件来实现。软件就是在接收到的有效脉冲后延时２００ｍｓ，硬件就是利用硬件电路对实际信号进行整形，将持续时间很短的抖动信号滤除。采用软件延时会一直占用ＭＣＵ，本文选用硬件的方式。采用最简单的ＲＣ滤波器，ＲＣ延时电路延时的实质就是电容的电压不能突变，只要选择合适的ＲＣ参数，使得延时时间长于２００ｍｓ即可消除机械抖动。因此雨量的硬件检测电路如图３．１３所示。２０武汉理工人学硕十学位论文图３．１３雨量信号硬件检测电路图３．３现场监测节点的微控制器模块选型微控制器（ＭＣＵ）负责与各仪器通信，将仪器感应到的物理量存储并上传给汇聚节点。它在各种功能模块之间进行协调，使它们有条不紊的工作。节点工作在于扰极强的野外，ＭＣＵ应选工业级的。表面裂缝计的测量精度与其基准频率的大小是息息相关的，而基准频率大小又取决于ＭＣＵ的工作频率，ＰＬＬ（锁相环）有时钟倍频的功能，为了提高测频的精度选择带ＰＬＬ的ＭＣＵ。对表面裂缝计的激振要使用ＰＷＭ功能，测频的时候要使用计数器和定时器，对于温度补偿部分，要使用ＡＤ转换功能。因此ＭＣＵ必须具备ＰＷＭ、计数器、定时器和ＡＤ转换器功能。为了防止数据传输失败产生的严重的后果，需外扩存储器，现在比较流行的存储器有Ｎａｎｄｆｌａｓｈ和Ｎｏｒｆｌａｓｈ，ＭＣＵ最好是具备相应的接口电路。现场监测节点通过ＣＡＮ总线把数据传输给汇聚节点，因此ＭＣＵ最好具备ＣＡＮ控制器接口，这样只需要外扩ＣＡＮ收发器即可进行数据传输。最后就是ＭＣＵ的功耗问题。为了满足以上条件本文选择处理器ＳＴＭ３２。ＳＴＭ３２基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘｒＭ－Ｍ３内核，内核的体积更小，采用的是哈佛式的架构，集成了许多本应该由开发商集成的外设，增加了睡眠模式，使功耗更小。它只使用Ｔｈｕｍｂ２指令集（一种专门面向Ｃ语言的指令），这样用户就不必使用汇编语言，减小了开发的难度，缩短了开发周期【４１】【４２】【４３１。现场监测节点工作时会受到严重的干扰，如果干扰严重而导致内存中的数据改变，运行的程序就会失效，出现这种情况时应该自行复位。ＳＴＭ３２内部的看门狗模块具有此功能，但系统处于这种状态时内部看门狗的可靠性是很令人担忧的，本文采用专门的看门狗芯片ｓｐ７０６来解决这个问题。当干扰过大造成死机时，如果在设定的时间内没有喂狗，芯片就会产生一个低电平复位脉冲，使ＭＣＵ复位，保证系统可靠的工作。ＳＴＭ３２采用ＪＴＡＧ作为调试接口，通过此接口ＣＰＵ２ｌ６ＡＰＬＩ－－－．墓Ｏｐ薹武汉理工大学硕士学位论文可以向ＳＴＭ３２的内核发出控制命令，也可以从该接口获取内核的状态信息，包括各特殊寄存器和内存中某个地址处的值。ＣＰＵ可以利用该接口控制内核的运行，从而达到调试的目的。本文使用２０针的ＪＴＡＧ接口方式，各引脚的定义均参照相应的标准。最小系统结构图如图３．１４所示。彗Ｕ１车怒生晰嚣荨器雀ａ酾匿）＝婴二＝＝享：霉…８蔓臼器—莲需队目加耋建ＰＡ８ＰＡ９ＰＡｍＰＡｎ队ｎＰＡｄ＂Ｍｇ加。队Ｗｍ薯同＾●王Ｋ掣哪ＦＢＩ掣４７．蚕辜嗍ＰＢｌ２蔓巴器图３．１４最小系统结构图３．４存储单元接口电路设计现场监测节点需要保存一些关于测量仪器的埋设的地点、监测的物理量、以及一些历史数据信息，在发生意外的时候，可以防止数据丢失，或者是利用历史。数据和当前的监测数据判断是否有滑坡的可能。目前常用的存储器有Ｎａｎｄｆｌａｓｈ和Ｎｏｒｆｌａｓｈ。Ｎａｎｄｆｌａｓｈ的组成结构导致用它存储并不是很稳定，容易发生位翻转，从而导致数据存储失败，使用它还需进行数据纠错处理。而本节点工作在野外，容易受到各种干扰的影响，所以选择Ｎａｎｄｆｌａｓｈ是不安全的，Ｎｏｒｆｌａｓｈ的可武汉理．Ｔ大学硕七学位论文靠性比较高。它有并行和串行两种接口形式，并行的接口占用总线多，占用系统空间，而且它可以扩展的空间也是有限的，价格也比较高，所以这里选择串行方式的。每个现场监测节点有１６路形变量测量仪器与１路雨量计，这些形变量测的什么类型的物理量，测点的位置等等信息要保存起来，还有现场监测节点的ＩＤ，通过这个ＩＤ来识别不同的现场监测节点，还有就是热敏电阻的电阻温度表。现场监测节点每隔５分钟向上层的数据汇聚节点汇报自己监测的数据信息。对于形变量而言，每一路需２个字，分别为所获取的物理量值和温度值，雨量计用１个字来存储雨量值。还要保存测量时刻的时间，用１个字。则每５分钟就会产生３４个字。如果现场监测节点至少需保存１年的信息，则需１２Ｍ的空间。如果有危险情况发生，则要加强对现场监测的强度，可能需要每隔１分钟测量１次，则需要６０Ｍ的空间。所以这里选择６４Ｍ的ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４。它是ＳＰＩ接口的１４４１，这里选择ＭＣＵ的ＳＰｌｌ与它通信，接口电路如图３．１５所示。一监旦卫自１—ｉＤ—百１５．ＰＢｌ５一ＳＦ！ｉ尚１４、一…：』‘“…图３．１５Ｍ２５Ｐ６４与ＳＴＭ３２的接口电路图３．５铁路边坡现场监测节点的ＣＡＮ通信接口电路设计现场监测节点通过ＣＡＮ总线把监测到的数据上传到数据汇聚节点。ＣＡＮ总线最长的通信距离可到１０公里，能挂载多个节点，具有硬件错误监测机制，抗干扰能力强，能保证数据的可靠传输。任一节点均可作为主节点与其他的节点进行通信，信息帧具有优先级机制，这样优先级高的控制命令可以先传输。在严重错误时，节点会自动切断与总线的联系而不影响别的设备。因此采用ＣＡＮ总线来传输时，系统的稳定性很高。ＳＴＭ３２具有ＣＡＮ总线控制器，因此只需扩展ＣＡＮ收发器就可以了。对于ＣＡＮ收发器这里选择ＰＣＡ８２Ｃ５１，它在平滑模式下电流很小，耗能少。具有较强的抗电磁干扰性和热保护功能，为ＣＡＮ控制器提供了差动的发送和接收能力。由于此接口是数据输出接口，容易引入雷电干扰，必须设计防雷电路，如果是这个节点在ＣＡＮ总线的终端，还要加上终端匹配电路，把跳线拔去即可，为了防武汉理上人学硕十学位论文止器件破坏影响到整个总线，必须加光电隔离部分。ＣＡＮ通信接口电路图如图３。１６所示。∞Ⅵ）Ｄ５ＶＣＡＮＲＸ２３４图３．１６现场监测节点ＣＡＮ接口通信电路３．６铁路边坡现场监测节点电源设计要保证各个节点能够长期可靠的工作在野外，必须给它们提供可靠的工作电源。节点遍布于铁路沿线，因此采用铁路交流电网进行供电是不可行的，本文使用蓄电池供电。采用蓄电池供电有两种可供选的方式，一种是通过大容量的蓄电池来供电，另一种是采用太阳能电池加蓄电池的供电方式【４５】【铜。第一种方式实现起来很简单，成本也比较低，但是维护起来很困难，需要人工定期的更换电池，因此系统的可靠性比较低。第二种方式采用太阳能来供电，无污染，运行时的成本低；无需人工定期的维护，能够自动的维持对节点的供电；具备很好的防雷击性能。但是建设成本相对来说较高。对节点的供电而言首要的要求就是可靠性，所以这里采用太阳能加蓄电池的供电方式。３．６．１太阳能电池与蓄电池的容量选择太阳能电池的性能参数受制于当前的太阳辐射强度，而太阳辐射强度伴随着地球自转、地理位置的变迁、季节的变化、气候的改变等因素而变化。在下雨天和夜间就无法用太阳能电池为系统供电，必须使用蓄电池来供电。当雨期持续时间过长时，如果蓄电池的电容量不足以提供这段期问需要的电能，则边坡安全监武汉理：’ＬＩ入学硕士学位论文测节点就会面临掉电的危险，一般来说我国的南方雨水持续时间较长，北方则较短，应该根据滑坡监测节点的功耗和所在地点的日照时间和阴雨天持续的时间等等因素来计算所需的蓄电池容量和太阳能电池功率。边坡监测节点所需的电源类型为：ＳＴＭ３２所需的电压３．３Ｖ，其电流不到１００ｍｍ；激振电路所需的电压＋１２Ｖ，其电流为４００ｉｌｌｍ；测频电路所需的＋／－１２Ｖ电压，电流为１０ｍＡ。ＣＡＮ收发器模块ＰＣＡ８２Ｃ５ｌ和温度补偿模块所需的５Ｖ，在待机模式的时候只有２７５ｕＡ；雨量计所需的电压１２Ｖ，翻转时电流为１２０ｍＡ。综合考虑可知，节点所需的平均功耗不到５Ｗ，最大的功耗为７Ｗ。蓄电池的电容量是它在额定电压范围内放电电流与放电时间的乘积。当它对系统供电的时候要留有一定的裕量，这里设置为Ｏ．８，即当蓄电池放电到其总电量的８０％的时候要满足最坏的天气情况要求。对于连续阴雨天的天数，要根据当地的气象资料来确定，这里在南方选择４０天，北方选择１５天即可，但是具体的情况还要根据实际的地理位置来进行计算，以节省成本。在此基础上还要留下一个安全裕度，这里设置为１．１。所以对于南方可选择１２Ｖ，２４Ａｈ的免维护铅酸蓄电池，对于北方可选择１２Ｖ，９Ａｈ的免维护铅酸蓄电池。太阳能电池的输出功率一般设置为每日功耗的１．５．２倍，这里选择最大功率为１４Ｗ的太阳能电池板。３．６．２太阳能电池与蓄电池的自动切换电路设计为了可靠的对铁路边坡监测节点供电，要能自动的在太阳能电池板和蓄电池之间进行合理的切换，在具备太阳能的条件下，系统使用太阳能电池对系统供电，如果此时蓄电池电量不充足还要负责对它充电；在无太阳能条件下，自动切换到蓄电池供电。有两种方式可以实现：（１）二极管的切换方式此种方法主要是利用二极管的单向导电性，其结构图如图３．１７所示。在蓄电池端串联一个二极管，当有日照时，太阳能电池板的电压比蓄电池的电压高，从蓄电池到ＤＣ／ＤＣ模块的电路截止，此时由太阳能电池板来对节点供电并对蓄电池充电。当没有日照时，蓄电池使二极管导通从而对节点供电，此时由于二极管的单向导通作用，蓄电池也不会向太阳能电池充电。从而达到两者之间的自动切换。切换时间取决于二极管的导通时间。武汉理一１：入学硕士学位论文图３．１７二极管切换方式结构图（２）继电器切换方式采用继电器切换方式时结构图如图３．１８所示。当日常正常时，太阳能电池板的电压加在继电器线圈上，此时常开触点闭合，由太阳能电池板对节点供电，同时也对蓄电池充电。当没有日照时，线圈中没有电流，则由蓄电池供电。图３．１８继电器切换方式结构图蓄电池的电压范围变化较大，为了避免这种影响反映到ＤＣ／ＤＣ模块，这里选择继电器切换的方式。太阳能电池的输出受光强的变化影响很大，当光强不稳定时，太阳能输出电池板的电压变化也很大，如果继电器选的不合适的话，触点就会频繁动作，在继电器选型时要注意这一点。３．６．３铁路边坡现场监测节点的各模块电源设计采用蓄电池供电必须提高能量的利用率，因为蓄电池的电量是有限的，充分利用能量可以提高系统的稳定性，在电源的转换环节中要注意转换的效率。现在的电源转换一般采用集成稳压器来实现。集成稳压器分为线性和开关型两类。线性稳压器工作时，开关管工作于放大状区。如果负载电流很大，器件的损耗就很大，发热也很大。它经常需要搭配散热装置一起使用。开关型稳压器件工作时，武汉理工入学硕士学位论文调整管工作在饱和区或截止区，在饱和区的管压降很小，截止区电流小，器件功耗发生在两种状态相互转换时。与线性稳压器相比，开关型稳压管的电源利用率是非常高的，所以在需要电流比较大的场合如果对电源没有特殊的要求应该采用开关型稳压器。由前面的分析可知激振电路和雨量计的功耗相对来说比较大，所以使用开关型的稳压器ＬＭ２５７６Ｓ．ＡＤＪ来得到它们各自所需的电源。其他的各电压可选用常见的线性稳压器来获得。由于铁路边坡监测节点工作在野外，必须考虑防雷击，而在信号输入和输出还有电源模块部分很容易引入雷电。所以这些部分的电源要隔离出来。还有前面要求的信号隔离部分的电压也必须进行隔离。各传感器所需的电压、ＣＡＮ收发器所需的电压，必须和ＳＴＭ３２板上所需的电压隔离。铁路边坡监测节点的电源结构图如图３．１９所示。直随太阳能电蓄电池充电线圈蓄电池一鬯匝匣巨一常开触点一一堕离一一一一一图３．１９铁路边坡监测节点的电源结构图３．６．４蓄电池充电控制电路设计本文选择价格低廉、存储容量大的免维护铅酸电池。研究表明，铅酸电池的过冲或过放现象都会影响它的使用寿命，因此必须对其充电过程进行控制。当电池电量达到１００％时，需给电极加一定的电压保持电量稳定，否则会导致过冲现象或者使电池的能量不能被充分的利用，所加的这个电压叫浮充电压。实验表明浮充电压会随温度而变化，所以必须对其进行温度补偿才能达到良好的充电性能。针对铅酸电池的特点，美国的ＴＩ公司专门设计了ＵＣ３９０６芯片。它能控制铅酸蓄电池的充放电过程并实时的对温度进行补偿。ＵＣ３９０６的充电控制电路的结构图如图３．２０所示。武汉理工大学硕士学位论文图３．２０ＵＣ３９０６充电控制电路３．７铁路边坡现场监测节点开箱报警电路设计如果铁路边坡现场监测节点被盗，远程监控中心就无法获取它的监测数据，整个系统就失去了监测的意义，因此进行防盗检测很有必要的。现场监测节点的主板必须密封在一个防水的箱子里，当箱子被牢牢的固定之后，要盗走器件只有打开箱子，因此这里可以根据开箱的原理设计一个开箱报警电路，在箱子的上下盖上各固定一个薄铁片，这样当箱子闭合的时候就相当于一个开关闭合了，箱子打开的时候就相当于开关是断开的。当监测到开关断开之后现场监测节点就要向远程监控中心传送被盗的报警信息。开箱报警系统电路结构图如图３．２３所示。上箱盖迪竖主∑。／图３．２３开箱报警系统结构图开箱报警电路的工作原理为当箱子闭合时，开关闭合，ＩＮＴ２引脚为高电平，当箱子被打开时，ＩＮＴｌ引脚为低电平，出现一个从高电平向低电平的跳变，因此可以将ＳＴＭ３２的外部中断１设鼍为下降沿出发中断模式，当产生外部中断ｌ时就要向远程监控中心报告现场监测节点被盗信息。武汉理上人学硕十学位论文３．８本章小结本章针对土质边坡设计了它的现场监测节点的结构，它需要测量表面裂缝、深部位移、渗压和雨量。分析了测量表面裂缝的表面裂缝计的组成结构，研究了它的测量原理，并为它设计了激振、测频和温度补偿电路。由于表面裂缝计和多点位移计、渗压计的组成结构相似，因此它们的信号调理电路结构相同。接着分析了雨量计的结构和它的工作原理，进行了机械防抖设计。然后选择了基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＴＭ．Ｍ３内核的工业级别的微控制器ＳＴＭ３２，它有锁相环单元，最高的工作频率可达７２ＭＨＺ，并设计了相应的最小系统。对于外部存储器选择了性价比高的串行ＮｏｒＦｌａｓｈＭ２５Ｐ６４。对于通信部分，设计了ＣＡＮ控制器接口电路，进行了防雷电路的设计。然后设计了电源部分，采用了太阳能电池板加铅酸蓄电池的可靠的供电模式，考虑了电源的隔离要求和能量转换的高精度需求，设计了整个节点所需要的各种电源，考虑了电源的抗干扰措施，设计了太阳能电池板和蓄电池之间的自动切换电路和基于ＵＣ３９０６的蓄电池充电的控制电路。最后针对现场的应用环境设计了简单有效的现场监测节点的开箱报警电路。武汉理工人学硕十学位论文第４章铁路边坡数据汇聚节点硬件设计铁路边坡的数据汇聚节点的任务就是接收与其在同一ＣＡＮ总线上的各现场监测节点传来的检测数据与状态信息数据，接收到检测数据后，首先必须存储该数据，然后通过铁路内部的光纤网络传输到计算机远程监控中心，如果接收的是节点被盗信息，就应该向远程监控中心传输报警信息。它还负责接收从远程监控中心传给现场监测节点控制的命令，把命令转发给相应的现场监测节点。它还要判断与之在同一个ＣＡＮ网络中的现场监测节点的状态信息，判断其是否故障。它由ＭＣＵ、ＣＡＮ通信接口电路、以太网接口电路、电源模块、数据存储模块、防盗模块等组成。防盗模块可以参考现场监测节点部分来设计。４．１数据汇聚节点微控制器选型数据汇聚节点是现场监测节点与计算机远程监控中心之间的连接桥梁，负责数据的收集、转发、向现场监测节点传递控制命令。为了减轻计算机远程监控中心的负担，也可在汇聚节点中进行数据处理，使得系统的反映更快，可靠性更高。但是这却给汇聚节点带来了额外的负担，任务比较多，如果人为的设计程序来管理这么多的任务，是非常复杂的，也不可靠，这里可以利用操作系统来完成这个任务。现在有很多处理器可以支持操作系统了，所以为了以后系统功能增强的需求，这里的汇聚节点的ＭＣＵ选择可以支持操作系统的￥３Ｃ２４１０。￥３Ｃ２４１０是韩国三星公司的产品，它采用是ＡＲＭ９２０Ｔ内核。它具有极丰富的外设接口、高度集成、功耗低，最高的处理速度可达２０３ＭＨＺ。之所以选择这款芯片是因为三星公司很早就开始在研究系统的移植问题，在他们的努力下，Ｌｉｎｕｘ可以很简单的移植到以￥３Ｃ２４１０为微控制器的一款单板机上。如果将来使用操作系统的话，有很多可以参考资料，可以大大的节省开发的周期。４．２微控制器￥３Ｃ２４１０最小系统硬件结构图三星的￥３Ｃ２４１０与我们经常使用的一些微控制器是不同的，我们经常使用的ＭＣＵ内部一般都有ＳＤＲＡＭ和ＲＯＭ，不需要进行扩展，但是￥３Ｃ２４１０却没有ＳＤＲＡＭ和ＲＯＭ，只留有相应的接口，如果不扩展的话根本无法运行，在构建系统的时候需要外扩。武汉理］二大学硕十学位论文在汇聚节点中ＳＤＲＡＭ是汇聚节点的程序运行的地方，没有它，程序根本无法运行。从经济性和以后扩展系统功能的两方面来考虑，ＳＤＲＡＭ的大小选择６４Ｍ的，这里采用两片３２Ｍ的ＨＹ５７Ｖ５６１６２０来实现，与ＳＤＲＡＭ的接口电路如图４．１所示。图４．１ＳＤＲＡＭ接口电路ＲＯＭ相当于ＣＰＵ的硬盘，是程序存储的地方，如果没有存储器，则开机的时候系统就无法启动了。在嵌入式系统当中，通常使用Ｎａｎｄｆｌａｓｈ和Ｎｏｒｆｌａｓｈ作为它的硬盘，从可靠性考虑，这里仍然需选择Ｎｏｒｆｌａｓｈ，系统运行的程序存储在Ｎｏｒｆｌａｓｈ中，要使系统开机可以运行该程序，则Ｎｏｒｆｌａｓｈ必须有执行程序的功能，必须选择并行的Ｎｏｒｆｌａｓｈ来保存系统启动的初始代码。当容量比较大的时候，并行的Ｎｏｒｆｌａｓｈ的价格是比较高的。汇聚节点还要存储在其管辖范围之内的现场监测节点的数据，这对存储空间要求又加大了。为了以后扩展操作系统的需求，需要预留操作系统映像和文件系统映像的存储空间。这样整个汇聚节点要求的存储空间就比较大，需要百兆的空间，如果全部使用并行的Ｎｏｒｆｌａｓｈ，价格是非常高的。汇聚节点之所以需要使用并行的存储器，是因为汇聚节点需要一个可以运行系统启动程序的元件，否则汇聚节点根本无法启动，而系统的启动代码是非常小的，一般都不到１Ｍ空间，由于这点需求而去扩展百兆的并行Ｎｏｒｆｌａｓｈ，代价太高了。因此本文按照不同的需求而扩展两种类型的存储器。一种是只需存储系统启动代码的并行的Ｎｏｒｆｌａｓｈ，为了将来扩展的需要，这里选择１６Ｍ的ＳＳＴ３９ＶＦｌ６０，扩展接口图如图４－２所示。另一种是容量比较大的串行的Ｎｏｒｆｌａｓｈ，武汉理工大学硕士学位论文用来存储现场监测节点传来的数据，也可以在扩展操作系统功能以后用来存储操作系统的可执行文件映像和文件系统映像。这里选择１２８Ｍ的ＳＰＩ接口的ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ１２８。这里选择￥３Ｃ２４１０的ＳＰＩＯ接口来与Ｍ２５Ｐ１２８通信。Ｍ２５Ｐ１２８的扩展接口如图４．３所示。图４－２ＳＳＴ３９ＶＦｌ６０与￥３Ｃ２４１０的接口电路＋３Ｖ３ＮｏｒＨＡＳＨＭ２５Ｐ１２８ＬＢ店ＬＤⅥ℃Ｔ脚Ｆ一找＜ＳＨＯＭ∞ｌ翟兰譬ｃｌＪ叫阿您皿Ｄ鬟马露图４．３Ｍ２５Ｐ１２８与￥３Ｃ２４１０的接口电路对于复位电路的设计也采用硬件看门狗复位电路，可以参照前面的现场监测节点来设计，对于调试接口电路，晶振电路可以参照￥３Ｃ２４１０的接口电路来设计。３２武汉理工大学硕士学位论文４．３数据汇聚节点的ＣＡＮ通信接口电路设计由于￥３Ｃ２４１０不具备ＣＡＮ控制器接口，要给它扩展ＣＡＮ控制器和ＣＡＮ收发器才能使其进行ＣＡＮ接口通信。对于ＣＡＮ收发器可以参照现场监测节点的设计选择ＰＣＡ８２Ｃ２５１。ＣＡＮ控制器这里选择ＭＣＰ２５１０。ＭＣＰ２５１０的结构图如图４．４所示。ＲＸＣＡＮＴＸＣＡＮ图４．４ＭＣＰ２５１０结构框图图中的ＣＡＮ协议引擎负责报文的收发。ＭＣＰ２５１０在进行发送操作时，首先将报文装载到相应的报文发送缓冲器中，然后通过ＳＰＩ接口设置相应的控制寄存器将数据发送出去，通信过程中的状态信息可以通过相应的控制寄存器来获取。ＭＣＰ２５１０在进行报文的接收操作时，它从ＣＡＮ总线接收到的任何报文首先都会进行错误检查，通过了检查之后还要检查其是否与用户自定义的滤波器相匹配，匹配之后才报文转存到数据接收缓冲区，只要有一个环节不满足要求，数据将会被丢弃，最后从数据接收缓冲区中获取数据。ＭＣＰ２５１０有多个中断引脚，总体来说分为３类：１个总的中断引脚、２个ＲＸ缓冲器相关的中断引脚、３个ＴＸ缓冲器相关的中断引脚。由总的中断引脚和状态寄存器的值可以实现各专用引脚的功能，所以在设计时可以不使用专用引脚。￥３Ｃ２４１０通过ＳＰＩ接口与ＭＣＰ２５１０交互，使用标准的ＳＰＩ操作来设置ＭＣＰ２５１０的寄存器以达到发送接收ＣＡＮ数据报文的目的。￥３Ｃ２４１０通过ＳＰｌｌ与ＭＣＰ２５１０通信，这里也要考虑防雷电路的设计，数据汇聚节点的ＣＡＮ通信３３武汉理工大学硕士学位论文接口电路图如图４．５所示。图４．５数据汇聚节点的ＣＡＮ通信接口电路图４．４数据汇聚节点的网络通信接口电路设计数据汇聚节点与远程监控中心是使用以太网连接的，￥３Ｃ２４１０没有以太网控制器，因此要扩展以太网控制器。本文的以太网控制器选择ＣＳ８９００Ａ—ＩＱ３，它的工作温度是．４０—８５度，可以满足各地的温度的需求。ＣＳ８９００是１０Ｍ全双工以太网控制器，遵循８０２．３标准，功耗很低。访问ＣＳ８９００有两种方式：一种是存储器模式，另一种是Ｉ／Ｏ模式。当采用存储器模式访问时，ＣＳ８９００内部的寄存器和数据缓冲区会被映射到￥３Ｃ２４１０中的一块４Ｋ的连续空间，￥３Ｃ２４１０通过操作内存的方式来与ＣＳ８９００交互。当采用Ｉ／Ｏ的模式访问时，ＣＳ８９００提供８个１６位的端口给￥３Ｃ２４１０访问，￥３Ｃ２４１０通过这几个端口来访问ＣＳ８９００内部的寄存器和数据缓冲区，从而实现数据的收发。默认的情况下采用Ｉ／Ｏ的模式来访问ＣＳ８９００。ＣＳ８９００与￥３Ｃ２４１０的接口电路如图４．６所示。以太网的传输速度非常高，如果把数据信号直接引入到ＣＳ８９００，会产生很大的干扰，当干扰严重时会淹没有用信号，因此需要加上以太网隔离变压器来进行隔离以减小干扰。这个隔离电路还具有防雷、防静电干扰、电隔离等等作用。为了方便起见，这里选用内部带有隔离变压器的网口座，还必须进行阻抗匹配。ＣＳ８９００与ＲＪ４５的接口电路图如图舢７所示。武汉理工大学硕士学位论文图４－６ＣＳ８９００与￥３Ｃ２４１０接口电路图４．７ＣＳ８９００与ＲＪ４５的接口电路图４．５数据汇聚节点的电源电路设计数据汇聚节点的电源可参考现场监测节点的电源来设计，使用太阳能电池板加蓄电池的模式，只是太阳能电池板与铅蓄电池的型号还有后面的ＤＣ／ＤＣ转换３５武汉理丁＝大学硕士学位论文电路不同而已。数据汇聚节点的功耗是非常小的，总电流不到１００ｍＡ，功率为０．３Ｗ左右，也可以用干电池供电，但是为了系统的稳定性，这里仍然选择太阳能加蓄电池的模式。根据前面的介绍原理，这里的太阳能电池的功率可以只选择ｌＷ的。选择１２Ｖ／２ＡＨ的免维护铅酸电池。太阳能电池板和铅酸电池的使用电路可以参照前面的现场监测节点来设计。对于ＤＣ／ＤＣ部分，这里需要的电压有５Ｖ和３．３Ｖ两种，其中５Ｖ是供ＣＡＮ总线数据传输使用的，为了避免￥３Ｃ２４１０遭受到雷电的攻击，需与￥３Ｃ２４１０所需的电源电压隔离，同理ＣＳ８９００的３．３Ｖ也应该隔离。ＤＣ／ＤＣ部分必须使用隔离的ＤＣ／ＤＣ模块。４．６本章小结本章针对数据汇聚节点的的功能要求以及以后进行系统功能扩展的需求，选择￥３Ｃ２４１０作为微控制器，设计了￥３Ｃ２４１０的最小系统电路。接着介绍了ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０的结构和工作方式，实现了它与现场监测节点的ＣＡＮ接口通信电路，然后介绍了以太网控制器ＣＳ８９００的相关特性，实现了以太网控制器接口电路，最后设计了现场监测节点的电源供电模块。武汉理ｔ入学硕士学位论文第５章铁路边坡安全监测系统软件设计铁路边坡安全监测系统的软件包括三个部分：现场监测节点的监测传输软件、数据汇聚节点的转发软件、远程监控中心的监控软件。铁路边坡现场监测节点的任务就是逐通道的采集与之接口的现场检测仪器的数据，处理并存储，然后将数据通过ＣＡＮ接口按照统一的格式传输给与之在同一条ＣＡＮ总线的数据汇聚节点，接收从远程监控中心传来的控制命令并做出相应的调整。它还要实时的数据汇聚节点回报自己的状态，当监测到自己所在的箱子被打开时还要向远程监控中心发出报警信息。铁路边坡的数据汇聚节点需从现场监测节点接收数据，如果是检测数据则必须存储，然后通过以太网接口传输到远程监控中心，它还必须从远程监控中心接收控制命令，然后转发给现场监测节点。远程监控中心从数据汇聚节点接收数据，将其存储到数据库中，然后分析获取边坡的运动趋势，如果发现某个测点变化很快，就要向其发送控制命令，加强对该点的监测，如果分析到有滑坡的危险，则要发出报警信号。５．１铁路边坡现场监测节点软件设计铁路边坡现场监测节点的软件设计仍然参考土质边坡的模型，它可以划分为以下几个模块：表面裂缝计、渗压计、多点位移计的数据采集处理模块、雨量采集处理模块、ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４驱动存储模块、防盗模块、ＣＡＮ总线通信模块。５．１．１表面裂缝计、渗压计、多点位移计的数据采集存储模块表面裂缝计、渗压计、多点位移计选用的都是振弦式的仪器，相同类型的振弦式仪器可以共用信号调理电路，也可以共用相同的软件模块，只需要调节相应的参数即可，多通道选择模块可实现对这些物理量的选择。本模块包括四个部分：激振模块、测频模块、温度补偿模块和多通道选择模块。激振模块利用了ＳＴＭ３２的ＰＷＭ功能。ＳＴＭ３２发出的ＰＷＭ脉冲经过激振调理电路后，施加到仪器的线圈上对其进行激振。当ＰＷＭ脉冲的频率和振弦的固有频率相近时，激振就成功了。本文所选仪器的频固有频率在４００．４５００ＨＺ之间，只要使ＰＷＭ脉冲的频率在这个频率之间顺序变化就可以对仪器激振。由于不同仪器的频率范围是不一样的，可以使用出厂时厂家标定的值附近的频率扫描，以缩小扫描范围，提高测量的速度。仪器的形变是逐渐形成的，因此可以用３７武汉理工大学硕士学位论文上次测量值附近的值作为基准点来扫描以进一步的缩短测量时间。扫频时要设置厶。和厶，厶是扫描频率的起点，可以设置为仪器固有频率的最低值或上一次测量的结果。厂ｍ。，是扫描频率的终点，设置为仪器固有频率的最大值。使扫描频率以△厂累加，用得到脉冲频率来激振，每种频率的脉冲个数为ｎ。首先把ＳＴＭ３２的定时器ｌ设置为ＰＷＭ功能，接着按照需要的ＰＷＭ脉冲的频率和输出脉冲的个数ｎ来设置定时器ｌ的频率和占空比、计数值的下限值和上限值相关的寄存器，频率在厶缸和厶之间变化以对仪器激振，激振模块软件程序流程图如图５．１所示。图５－１激振模块软件程序流程图由等精度测频法的原理可知，基准信号的频率越高，测量的时间越久，精度就越高。因此可以利用ＳＴＭ３２的ＰＬＬ功能将系统的时钟频率倍频到它允许的最高值７２ＭＨＺ。将定时器２作为基准频率源，利用定时器３对待测频率信号进行计数。由于拾振线圈的感生电动势会逐渐衰减，最长时间只有ｌｓ，因此测量的时间不宜超过ｌｓ，而且对于刚刚被激振完的仪器而言，它的振动并不是很稳定，如果刚完成激振就对开始测频，精度自然会受到影响，需延时一段时间之后再测量。延时时间一般设置为ｌＯＯｍｓ。为了提高测量精度，这里采用中值滤波算法，武汉理Ｊ：大学硕士学位论文连续进行十次测量，然后取平均值。测频模块要完成的功能为：在激振完成之后，将外部中断０设置为边沿触发中断模式，让定时器２延时ｌＯＯｍｓ，振弦的振动就稳定了，然后每７０ｍｓ进行一次等精度频率测量，总共测量十次，然后采用中值滤波算法进行滤波，得到最后的频率值。等精度测频软件步骤为：发送开始测频控制信号（发出一个高电平），当外部中断０产生中断时，开始对两个脉冲信号进行计数，经过７０ｍｓ后，发送停止测频控制信号，当外部中断０有中断产生时，停止计数，根据计数值可以测得频率值，则一次等精度测频结束。测频模块的程序流程图如图５．２所示。图５．２测频模块程序流程图温度补偿软件模块的功能为：首先通过ＡＤ采样模块测量热敏电阻电压，由电压求得电阻值，然后查热敏电阻的阻值温度对应表就求得相应的温度，最后做出温度补偿。本设计使用的热敏电阻封装在仪器内部的，铁路边坡现场监测节点的测量通道有１６路，则需要测量１６通道的温度，ＳＴＭ３２有１６路Ａ／Ｄ转换，使用内部Ａ／Ｄ正好可以满足通道数的要求。对于温度的测量也采用中值滤波算法，连续测３９武汉理工大学硕士学位论文量８次，利用ＳＴＭ３２的Ａ／Ｄ转换部件的连续转换方式来完成测量。温度补偿模块程序流程图如图５－３所示。初始Ａ／Ｄ模块为连续转换模式◆选择与仪器对应的转换通道◆＜适畛否ｌｌ上是转换次数加１开启Ａ／Ｄ转换—莲题遥銮銎一否０是运行中值滤波算法上查表求得温度值★温度测量结束图５．３温度转换模块程序流程图测得频率和温度之后，根据被测物理量与该频率的对应关系和相应的温度补偿公式就可以求出被测的物理量。多通道选择模块在多个测量仪器之间进行切换。由于温度、测频和扫频通道是一一对应的，因此选择频率选通时也要选择相应的温度通道。此模块的功能是设置模拟转换开关的四个控制信号为输出接口模式，当上一个通道的频率和温度都检测结束后，选择下一通道进行测量。多通道选择模块的程序流程图如图５－４所示。开始士Ｉ初始化４根控制线为输出接口Ｉ上Ｉ根据通道号设置控制ｌ线的状态和温度通道◆通道选择结束图５．４多通道选择模块的程序流程图武汉理一【人学硕十学位论文５．１．２雨量采集模块软件设计本文选用的翻斗式雨量计有两种精度，不同的地理位置对雨量计精度的高低要求不同，要根据当地降雨量的情况来选择仪器，计算雨量时也要根据仪器的精度来计算。如果采用计数的方式来测量，轮询会浪费大量的时间，尤其是在没有降水的时候更是如此，因此本文采用中断的方式，使用外部中断ｌ，当外部中断ｌ产生中断时，就说明又产生了一定量的降水，加上以前的水量就可以获得总的降水量。为了提高这个模块的通用性，需设置一个精度处理功能以适应不同精度的雨量计使用。将雨量计的精度存储在一个规定的数据存储单元中，在中断处理程序中根据该值来进行处理。保存中断到来的时间和雨量值，需要实时时钟单元。雨量采集模块软件程序流程图如图５．５所示。中断开始士取相应的雨量测量计精度值‘读取实时时钟的时间上ｌ计算雨量值上中断结束图５．５雨量采集程序流程图５．１．３存储器ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４驱动存储模块Ｍ２５Ｐ６４具有先进的写保护机制，设置为写保护就不能更改其中的数据。可以通过设置状态寄存器中的相应位将某些扇区设置为保护区，将一些不能被修改的数据保存在此区域中。对数据的修改也需遵照特定的时序，要满足相关的设置要求才行，因此Ｍ２５Ｐ６４提供了很好的数据保护机制。它可支持高达７５ＭＨｚ时钟频率的数据传输，支持页操作模式，具有快速编程和快速擦除模式以提高擦除和烧写的速度。具有节电模式从而降低系统的耗电量。由于ｆｌａｓｈ器件只能将某位的值从１变成０，不能将０变成１，所以在写之前需要有一个擦除操作。擦除就是将要写的块全部变为ｌ，Ｍ２５Ｐ６４支持块和扇区的擦除操作，将某块或扇区设置为写保护时，对它进行擦除操作是无效的。４１武汉理工大学硕十学位论文对于铁路边坡现场监测节点而言，每一通道所测量的物理量、对应的仪器所在的位置、热敏电阻的阻值温度对应表、雨量计的精度、位置信息都是不能被修改的，应该将它们存放到写保护区域中。对于Ｍ２５Ｐ６４的驱动程序而言，首先要进行初始化，设置ＳＴＭ３２的ＳＰｌｌ的接口时序与Ｍ２５Ｐ６４的时序相配合以满足双方通信的需要，然后遵照Ｍ２５Ｐ６４的操作时序来对其进行相应的操作。Ｍ２５Ｐ６４的读、写、扇区擦除、块擦除程序流程如图５－６所示。ｌ读开始Ｉ‘选中存储器‘、发送读命令士发送要读的地址士读取数据０释放数据存储器士ｌ写开始Ｉ●ｌ扇区擦除开始ｌ块擦除开始写使能操作●写使能操作Ｊ●写使能操作ｌ●选中存储器◆选中存储器＋选中存储器●发送要写的地址＋ｌ发送扇区擦除指令Ｉ士发送块擦除指令★Ｉ读结束Ｉ图５．６◇一◇＋发送要写的数据释放存储器ｌ发送要擦除的扇区地址Ｉ★释放存储器ｌ发送要擦除的块地址★释放存储器』Ｌ写结柬扇区擦除结束块擦除结束Ｍ２５Ｐ６４的读、写、扇区、块擦除程序流程图铁路边坡现场监测节点每次测量获取的数据有１６通道的形变量数据，还有一路雨量计的测量数据，按时间存储。由于每通道测量的物理量信息、地址信息前面已经有记录了，这里只存储１６路形变量的值和雨量值，每一个量用一个字表示，时间值也用一个字表示。所以保存一次测量的信息需要１８个字，７２个字节。数据的存储的格式为时间值、１．１６通道的测量值依次排列、雨量值。５．１．４铁路边坡现场监测节点防盗模块当ＣＡＮ节点发生故障的时候，为了不影响ＣＡＮ网络中其他节点的工作，它会自动断开与ＣＡＮ总线的链接，所以现场监测节点在正常工作时必须自动的向数据汇聚节点报告自己的状态信息，本系统设置的是现场监测节点每５分钟都要向汇聚节点传输自己的监测信息，如果数据汇聚节点在８分钟之内没有收到某个现场监测节点的数据信息，就要向远程监控中心发送该节点异常信息。当产生外部中断２产生中断时，就要向汇聚节点传输报警信息，然后数据汇聚节点将该现场监测节点被盗的信息传递给远程监控中心。４２武汉理工人学硕士学位论文５．１．５铁路边坡现场监测节点ＣＡＮ总线通信模块现场监测节点与数据汇聚节点之间的信息有三种类型：它监测到的数据信息、被盗时发送的报警信息、和从远程监控中心传来的控制命令。现场监测节点只接收数据汇聚节点传来的ＣＡＮ数据报文，这个功能可以利用ＣＡＮ协议中的标识符字段来实现。在ＣＡＮ总线上，发送者是以广播的形式来发送数据报文的，ＣＡＮ节点在接收报文的时候，可以根据该标识符的值决定是否接收该报文。如果是送往该节点的报文，就将其拷到ＳＲＡＭ中，否则将其丢弃，这是通过ＣＡＮ控制器中的可配置滤波器组来实现的，采用硬件过滤可以节省ＣＰＵ的开销，否则就要通过ＣＰＵ的计算来判断。可以为每一个现场监测节点设置一个在该ＣＡＮ网络中唯一标识自己的数值，将其作为标识符字段。这个字段将存储在Ｍ２５Ｐ６４中不能被修改的区域，并将可配置滤波器设置为该值，当数据汇聚节点要向现场监测节点发送控制命令的时候，只要将发送标识符设置为该现场监测节点对应的标识符就可以实现硬件过滤。远程计算机必须知道这个数据是来自哪一个现场监测节点的，因此从现场监测节点发送的数据必须包含它在整个系统中的ＩＤ号。从现场监测节点传送到数据汇聚节点的检测信息的数据结构设置如图５．７所示。现场监测节点Ｄ通ｉ包测最的物理最类型检测时间ｉ瞰包物理量值鼬地址通道３地址通道５地址通道１测最的物理帚类型通ｉ鄯测最的物理量类型通道５测最的物理最类型通ｉ旬测量的物理量类型通ｉ汐测景的物理最类型通道１ｌ测最的物通道１物理星值ｉ酗扔物理量值通道５物理量值ｉ酗勤物理量值通道２地址通道４地址鼬物理最值理量类型ｉ瞰鄯测最的物理删眦物理量值通道８测最的物理删嬲物理量值通道１０测鼍的物通道１啦礁墩理量类型通ｉ斟测量的物通道１２钡１］量的物通道１２物理量值理量类型通道１４钡Ｉ］量的物通道１４物理量值理量类型通道１６钡Ｉ］量的物理量类型通：ｉ旬地址通ｊ自地址通道１１地址通道１３地．，ｔ／１：通道１５Ｊ也ｔｔｌ：雨量计地址腻地址胎地址通道１０地址通道１２ｉＮａｌ：通道１４地址通道嘶雅龇通道１１物理量值理最类型通道１３钡，ｗＪ最的物通道１３物理量值理最类型通道１５澳ＪＪ帚的物通道１５物理量值理量类型雨量值通道１６地ｌｔｌ：通道ｌ确雅龇图５．７现场监测信息数据组织结构图当现场监测节点检测到自己被盗时，要向数据汇聚节点发送自己被盗的信息。该信息用２个字表示，一个存储现场监测节点的ＩＤ，另一个存储的是被盗４３武汉理１：人学硕士学位论文报警信息，设置一个双方都已知的信息即可。现场监测节点的ＣＡＮ报文发送接收程序路程图如图５．８所示。图５．８现场监测节点ＣＡＮ发送数据流程图５．２铁路边坡数据汇聚节点软件设计铁路边坡数据汇聚节点的任务有：转发现场监测的数据信息、判断其管辖的ＣＡＮ网络内的现场监测节点的状态、发送现场监测节点被盗信息、存储接收的数据、传达远程监测中心的命令。主要涉及到ＣＡＮ通信接口、Ｍ２５Ｐ１２８驱动存储、ＣＳ８９００应用三方面的内容。要实现命令的下达，远程监控中心必须知道要通过哪个汇聚节点来传达，即要接收命令的现场监测节点在哪个汇聚节点所组建的ＣＡＮ局域网中。所以远程监控中心必须有一个数据汇聚节点的ＩＰ与所管辖的现场监测节点ＩＤ的统计表。数据汇聚节点必须保存自己所在的ＣＡＮ总线里的所有的现场监测节点的ＩＤ和对应的ＣＡＮ标识符，然后查表就能找到对应的现场监测节点。ＣＡＮ通信部分、Ｍ２５Ｐ１２８驱动存储部分和现场监测节点类似，所以这里不再重复。这里需要重点关心的就是ＣＳ８９００的应用问题。数据汇聚节点和远程监控中心使用以太网来传输数据。为了方便数据的可靠传输，这里使用ＴＣＰ／ＩＰ协议。这部分要解决的就是ＣＳ８９００的驱动问题、ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的移植问题、应用程序的实现。武汉理丁大学硕士学位论文ＣＳ８９００里面有一个产品标识号寄存器，里面存了０ｘ６３０ｅ，通过这个标识号可以判断ＣＳ８９００是否存在。ＣＳ８９００有两种方式来复位，外部复位和内部复位，外部复位时，ＣＳ８９００的复位引脚至少需要被拉高４００ｎｓ，这是ＣＳ８９００进行硬复位。软件复位只需将ＳｅｌｆＣＴＬ的第六位置位就可以了。复位之后，ＣＳ８９００至少需要１０ｍｓ进行硬件初始化。ＣＳ８９００以Ｉ／Ｏ方式初始化、发送和接收数据流程图如图５－９所示。发送开始ＣＳ８９００初始化ＪＦ始接收中断开始灭获取ＩＤ号二二二二互二＝设置数据发送的方式◆禁止中断弧６３０ｅ≯设置数据发送的长度●读取中断状态寄存器出错退出｜ｌ软件复位上辽巡墨馨哆读取接收数据状态二二］二延时２００ｍｓ●琏●将要发送的数据循环读取接收数据长度初始化ＭＡＣ地址写入内音ｌ；缓存◆后续数据◆设置相应的控制寄存器发送完毕？开巾断◆ＣＳ８９００初始化结束发送结束接收数据结束图５－９ＣＳ８９００初始化、发送、接收程序流程图ＴＣＰ／ＩＰ是一个很大的协议族，对于汇聚节点而言，只将其用来进行简单的通信，因此只需要一些基本的功能，这个部分可以参考Ｕｂｏｏｔ的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈来实现。数据汇聚节点和监控中心使用ＴＣＰ／ＩＰ协议通信。使用ＴＣＰ／ＩＰ发送数据的流程为：协议栈将要发送的数据按顺序依次传给应用层、传输层、网络层、数据链路层。根据各层使用的协议的格式对上层传送过来的数据进行逐级打包，逐级增加协议头的处理。最后再通过物理接口发送出去。接收数据时，控制器将从物理接口接收到的数据进行分析，逐级判断各层使用的通信协议的类型，从而去掉相用ＵＤＰ接收数据时，应用程序获取的数据可能是顺序混乱的或是丢失了某些数据。发送有问题时也没有任何回执。ＴＣＰ可以解决这些问题。它有一个窗口大小的字段，建立连接请求的时候，发送方通过该字段通知对方它还有多大空间的空闲缓冲区。接收方在回复链接请求时也会通知对方它的自身情况。这样它可以根据对方的情况来确定该发送多少数据，当对方没有空间的时候就会停止发送数据。４５应的包头信息，逐级处理，最后得到用户传来的实际数据。武汉理ｊ＝人学硕十学位论文数据汇聚节点和远程监控中心之间的数据通信是非常简单的，为了简化应用程序的设计这里的数据传输协议使用ＴＣＰ。这里的应用层协议选择自己定义的简单协议，将从现场监测节点接收的数据加上３２位的ＣＲＣ校验之后通过ＴＣＰ协议逐级发往远程的计算机监控中心。５．３计算机监控中心软件设计计算机监控中心通过汇聚节点接收来自己现场监测节点的数据，存储该数据，调用专用的边坡稳定性判断程序来进行数据处理，当现场监测的数据迅速变化时，要向该点发送控制命令，加强对该点的测量。ＶＣ能够进行网络和数据库编程，本文的上位机监测软件使用ＶＣ来实现。５．３．１监控中心网络编程网络编程部分的功能是使监控中心能够与数据汇聚节点通信。Ｓｏｃｋｅｔ是应用程序访问网络通信协议的接口，是应用程序和网络驱动程序的纽带。应用程序要进行网络通信，首先要创建Ｓｏｃｋｅｔ，然后将Ｓｏｃｋｅｔ与端口号和网络地址绑定起来，就与网络驱动程序建立了链接关系。发送数据时，应用程序要只需把数据传给该Ｓｏｃｋｅｔ，Ｓｏｃｋｅｔ会完成发送的工作。当与该Ｓｏｃｋｅｔ绑定的网络地址和端口号有数据传来的时候，网络驱动程序就会把数据交给该Ｓｏｃｋｅｔ，应用程序就可以从该Ｓｏｃｋｅｔ中提取接收到的数据。就接收从各数据节点传来的数据而言，监控中心作为一个网络服务器，接收各汇聚节点发起的链接请求，当数据传输正常的时候，它要向汇聚节点发送接收成功的反馈，不正常的时候向其发送重传命令。此时监控中心作为服务器端。监控中心接收程序流程图如图５．１０所示。武汉理工人学硕士学位论文图５．１０监控中心数据传输服务程序流程图５．３．２数据库编程ＯＤＢＣ（开放式数据库连接接口）是可以在不同类型的数据库中进行数据存取的标准接口。它使用ＳＱＬ访问它所支持的所有数据资源，它支持很多种数据库，可以很方便的进行操作，这里的数据库选择ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ，ＯＤＢＣ是应用程序与各种数据库的连接桥梁。可以利用ＯＤＢＣ的ＡＰＩ进行数据库操作或者是使用ＭＦＣ中的ＯＤＢＣ类来进行数据库编程，本文选择ＡＰＩ的方式，ＡＰＩ方式的程序流程图如图５．１１所示。４７武汉理工大学硕士学位论文开始◆１分配ＯＤＢＣ环境◆１分配一个连接句柄◆ｌｌ与数据源链接◆执行ｓＱＬ语句◆Ｉ对结果进行处理◆Ｉ断开与数据源的链接◆Ｉ释放ＯＤＢＣ环境◆结束图５．１１数据库操作程序流程图５．４本章小结本章实现了铁路边坡安全监测系统的软件设计，包括现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和远程监控中心软件。现场监测节点的软件包括监测数据的采集、滤波和处理部分，数据存储和上传部分，命令的接收和执行部分以及防盗处理部分。数据汇聚节点包括数据的接收部分、转发部分、现场监测节点状态判断部分以及防盗部分。远程监控中心包括数据的收发部分、存储部分和数据处理部分。武汉理工人学硕士学位论文第６章全文总结及展望６．１全文工作总结高速铁路边坡安全监测是一个不容忽视的话题，如果滑坡严重可能会酿成重大事故，造成巨大的人员伤亡和经济损失。因此本课题研究铁路边坡安全监测系统是非常有意义的。本文首先研究了引起铁路边坡滑坡的因素，按照地质组成将边坡进行了分类，研究了各类边坡稳定性的影响因素、目前边坡变形监测的技术、方法、仪器和监测节点的布设方法，根据铁路内部的网络结构，设计了系统的整体架构。研究了所选仪器的结构和工作原理，设计了铁路边坡现场监测节点的硬件结构，它包括ＳＴＭ３２微控制器、测量仪器接口电路、ＮｏｒｆｌａｓｈＭ２５Ｐ６４存储器接口电路、ＣＡＮ总线通信接口电路、太阳能电池板加蓄电池供电电路、防盗电路。对于防盗电路部分，利用了开箱的原理，设计了简单可靠的开箱报警电路。设计了铁路边坡数据汇聚节点的硬件，它包括ＭＣＵ￥３Ｃ２４１０的选型，其最小系统的架构、ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０的结构和工作原理、设计了相应的ＣＡＮ接口电路和以太网控制器ＣＳ８９００接口电路、供电电路和防盗电路。设计了系统的软件，包括现场监测节点软件、数据汇聚节点软件和远程监控中心软件。现场监测节点的软件包括监测数据的采集、滤波和处理部分，数据存储和上传部分，命令的接收和执行部分以及防盗处理部分。数据汇聚节点包括数据的接收部分、命令的转发部分、现场监测节点状态判断部分以及防盗部分。远程监控中心包括数据的收发部分、存储部分和数据处理部分。６．２展望本文研究了边坡的变形理论、监测技术和仪器。比较了现在常用的差动电阻式仪器和振弦式仪器的优缺点，最后选择了振弦式的仪器。但是在国内，振弦式仪器的制造技术还不是很成熟、稳定，仪器必须使用国外的。如果我国的振弦式仪器的制造技术取得成功，就可以更进一步的减小成本。为了使用铁路内部的光纤网传输数据，对于系统的架构本文选择的是现场监测节点、数据汇聚节点和远程监控中心的系统架构，这样一个数据汇聚节点就对应着多个现场监测节点，因此如果数据汇聚节点发生故障，它所在的ＣＡＮ网络就瘫痪了，系统的稳定性就不是很好。所以为了提高系统的稳定性，可以将相邻４９武汉理‘ｆ大学硕七学位论文的两个ＣＡＮ网络合并成一个大的网络，使两个相邻的数据汇聚节点互为备份，提高系统的稳定性。对于防盗部分，虽然设计得很简单很实用，但是它只能解决开箱偷器件的情况，如果整个箱子都被盗走，则检测不出来，会被认为是现场监测节点故障，所以针对偷箱子这种情况也应该设计一个防盗电路。对于监测数据的处理部分，涉及到岩土工程的内容，有专门的数据处理软件来进行处理，因此本文没有研究这方面的内容，实际上这一部分对于整个系统而言是至关重要的，如果模型选择的合理就可以很好的进行灾害的防护，如果要想深入的做好本课题，应该对相关的内容有更深入的了解。武汉理一【：人学硕士学位论文参考文献【ｌ】张永兴．边坡工程学［Ｍ】．重庆：中国建筑工业出版社，２００８：１００．１２２．【２】黄明礼．边坡安全监测初探［Ｊ】．广西建设安全报，２００３，４（３）：４７４８．【３】姜风海．大坝安全监测的几点认识【Ｊ】．消费导刊科技论坛，２００９，３（２）：１９９．２００．【４】岳建平，方露，黎昵．变形监测理论与技术研究进展［Ｊ】．水电自动化与大坝监测，２００７，７（２）：５６．５９．【５】黄ＢＪｊ￥Ｌ．边坡安全监测初探【Ｊ】．广西建设安全报，２００３，４（２５）：４７－４８．［６】夏才初，潘国荣．土木工程检测技术【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２００１：１３６．１９９．【７】周扬，刘顶明．大坝安全监测仪应用问题探讨【Ｊ１．水电自动化与大坝监测，２００９，３３（２）：２６－２９．【８】储海宁．大坝和岩土工程中埋设仪器选型问题的探讨【Ｊ】．水电自动化与大坝监测，２００６，３０（１）：３９－４４．【９】储海宁．关于差阻式仪器的几个技术问题［Ｊ】．大坝观测与土工测试，２００７，２０（２）：５４１．５４８．【ｌＯ】何剑珩．差动电阻式仪器的主要缺点及改进措施【Ｊ】．大坝观测与土工测试，２００６，１６（１３）：４３－４６．【１１】林世卿，刘敏飞．国内差动电阻式仪器近年来的一些发展【Ｊ】．传感技术，２００５，５（１０）：３４３．３５２．【１２】吕刚．大坝安全监测技术及自动化监测仪器、系统的发展【Ｊ】．大坝观测与土工测试，２００１．１５（９）：５９—６１．【１３】郝晓剑，杨述平等．仪器电路设计与应用［ＭＩ．北京：电子工业出版社，２００７：２６．５６【１４】邓铁六．单线圈电流型振弦式传感器【Ｊ】．传感技术，２０００，１９（４）：２２．２５．［１５】郭缔．采用振弦式传感器的单片机压力测量仪［Ｊ】．石油仪器，１９９７，１１（４）：１７．１８．【１６】王冬生，潘玮炜，张克．基于振弦式传感器的矿压在线检测系统的研究【Ｊ】．煤炭工程，２００９．４（１２）：１１０－１１４．【１７】吕国芳，李东明，刘希涛．振弦式传感器扫频激振技术【Ｊ】．自动化仪表，２００６，３（４）：７９．８１．【１８】王兆安，杨君．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９８：２２４．２２６．【ｌ９】Ｂ．ＭａｍｍａｎｏａｎｄＬ．Ｄｉｘｏｎ．Ｃｈｏｏｓｅ１９９１．ｔｈｅＯｐｔｉｍｕｍＴｏｐｏｌｏｇｙｆｏｒＨｉｇｈＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＳｕｐｐｌｉｅｓ［Ｊ］．ＰＣＩＭ．Ｍａｒｃｈ【２０】杨兴华，雷淮刚，管洪飞，杨喜军，张峦国．新型部分有源功率因数校正电路的分析与实现［Ｊ】．电力电子，２００７，２６（２）：５４．５７．【２ｌ】钱振宇．开关电源的电磁兼容性设计与测试【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００５：７８．８４．【２２】周志敏，周纪海．变频电源实用技术［Ｍ】．北京：中国电力出版社，２００５：１３７．１５０．【２３】冯新强等译．仪表放大器应用：［程师指南【Ｍ】．重庆：中国电力出版社，２００５：３０．６５．【２４】吴卿，侯建军．基于ｕＣ／ＯＳ・ＩＩ的振弦式传感器测频系统的设计与应用【Ｊ】．自动化仪表，２００６．３０（５）：２２．２５．５１武汉理：ｌ＝人学硕士学位论文【２５】毛良明，王为胜，沈省三．振弦式传感器及自动化网络测量系统在桥梁安全监测系统中的应用［Ｊ】．传感技术学报，２００２，１（１３）：７３．７６．【２６】白泽生．基于振弦式传感器测频系统的设计［Ｊ】．现代电子技术，２００７，２（１３）：１３５—１３７．【２７】白泽生．一种基于振弦式传感器测频方法的实现［Ｊ】．传感器与微系统，２００７，１６（８）：８１．８３．【２８】Ｊｉａｎｇｘｉｕ，Ｊｉｎｇｙａｚｈｉ，Ｚｈａｎｇｈｕａｎｃｈｕｎ．Ｖｉｂｒａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１．ＷｎＳｅｎｓｏｒｓＢａｓｅｄＯｌｌＭｅａｓｕｒｉｎｇＦｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒ［２９】袁广超，田旭东，陈恩等．基于ＣＰＬＤ的振弦式传感器的频率测量技术［Ｊ】．自动化仪表，２００９．３０（１１）：６３－６６．［３０】崔永辉，张培仁．基于振弦式传感器的频率监测模块设计【Ｊ】．信号与信息处理，２００９，３９（１２）：２９．３１．【３ｌ】姜修，经亚枝，张焕春．用等精度测频方法实现振弦式传感器频率测量［Ｊ】．传感器技术，２００１，２０（６）：５３．５５．【３２】苗风东，周蓉生．山体滑坡监测仪的电源设计【Ｊ】．中国仪器仪表，２００６，７（６）：８７－８９．【３３】郑凌蔚，宁康红，吴晨曦．一种振弦式传感器温度补偿新方法及其实现［Ｊ】．杭州电子科技大学学报，２００６．２６（６）：７５．７８．【３４】佟仕忠．振弦式传感器温度补偿的探讨【Ｊ】．传感器技术，１９８９，１０（６）：２８－３０．［３５】刘洋．振弦式传感器温度补偿研究【Ｊ】．杭州电子科技大学学报，２００６，２６（５）：７５・７８．【３６】唐驰．强降水对ＪＤＺ０２．１型翻斗式雨量计误差影响的分析【Ｊ】．广东水利水电，２００９，４（１２）：８３．８４．【３７】，王强，越坚强．用计数器解决翻斗式雨量计的超差故障【Ｊ】．贵州气象，２００９，３３（３）：４３掣．【３８】翁绍杰，袁涛．机电控制系统开关量输出的抗干扰【Ｊ】．电工技术杂志，２００３，ｌ（１２）：ｌＯ．１２．【３９】王晗，杨喜军，雷淮刚，裴玉明．一种新型无桥部分有源ＰＦＣ的实验研究【Ｊ】．技术探讨与研究，２００８，８（２）：４６．５０．［４０】戴栋，李胜男，张波，马西奎．单级功率因数校正变换器中的低频不稳定现象研究阴．中国电机工程学报，２００８，１８（２）：１－５．［４１】Ｎ．ＮａｌｂａｎｔａｎｄＷＣｈｏｒｅ．ＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭＬ４８２１ＡｖｅｒａｇｅＣｍｒｅｎｔＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏｔｅ，２００７．【４２】李兵．基于ＵＣ３９０６的免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计【Ｊ】．设计与计算，２００５，７（１１）：９４．９５．【４３】卢丹．基于ＤＳＰ的高功率因数高效变频调速装置的设计与实现【Ｄ】．沈阳：沈阳工业大学，２００７．【４４】姜雪松．三相高功率因数可逆整流器研究【Ｄ】．南京：南京航空航天大学，２００２．【４５】ＹａｍａｍｏｔｏＫＳｈｉｎｏｈａｒａＩＣＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｕｂ－ｈａｒｍｏｎｉｃｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｃｕｒｒｅｎｔｈａｒｍｏｎｉｃｓｏｆＤＳＰ－ｂａｓｃｄｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔＡＣｓｅ】ｒ、忙ｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．ＩＥＥＥＰｒｏｃ．Ｅｌｅｃｔｒ．ＰｏｗｅｒＡｐｐｌ，１９９６．【４６】董晓鹏，王兆安．ＰＷＭ整流器直流电压对电源电流控制的影响．电力电子技术，２００４，１３８（２）：５—８．５２武汉理：［人学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的论文【ｌ】桂红霞．基于遗传算法的加权支持向量机的短期电力负荷预测．工业控制计算机杂志社．２０１０（５）．５３武汉理工大学硕士学位论文致谢时间飞逝，三年的研究生学习生活就要结束了，我也即将踏入社会了，回忆这三年的点点滴滴，感觉我在思想和技术能力上都进步了很多。在此我要感谢那些曾经帮助过我的人。首先要感谢我的研究生导师黎洪生教授，他悉心的教导我们，给我们提供了很多的学习和实践的机会，教导我如何培养自学能力，在实践中学习知识。感谢关心我的父母，在他们的支持和鼓励下，我才能够全力追求自己的理想，在这里我要感谢他们对我无私的爱。感谢刘苏敏博士，在他的督促下，我才能按时完成我的毕业设计。感谢我的大学同学王小念，还有赵玲，在摘要的翻译方面给了我很大的帮助。感谢我的室友王晶晶，陪我住了七年，时时刻刻的关心我，鼓励我。感谢陈扬，钱桂芬和张春娇，她们陪我走过了我的研究生生涯，在写论文的过程中鼓励我。最后就是我的师弟师妹们，和他们在一起的日子里，生活得很开心。马上我就要毕业了，我永远会记得这些帮助过我的老师、亲人和朋友，新的生活就要开始了，我相信在他们的关心和鼓励之下，我一定会生活得很好的，希望他们也能健康幸福的生活。桂红霞２０１０年５月铁路边坡安全监测系统设计

作者：

学位授予单位：

桂红霞

武汉理工大学

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