隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)方案,軟硬件架構(gòu)
一、項目概述
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/348718.htm1.1 引言
鐵路隧道的開采、施工和使用過程中,隧道圍巖變形是圍巖應(yīng)力分布、整體力學(xué)形態(tài)變化和穩(wěn)定狀態(tài)最直接和可靠的反映,圍巖凈空位移的測量是隧道施工過程中一個重要環(huán)節(jié),是判斷圍巖穩(wěn)定性和指導(dǎo)施工的重要依據(jù)。對隧道圍巖變形進(jìn)行及時的監(jiān)測和分析預(yù)報成為鐵路隧道施工中保證施工安全、防止事故發(fā)生、合理確定隧道支護(hù)的十分重要的工作。
1.2 項目背景/選題動機
傳統(tǒng)的鐵路隧道圍巖位移測量方法主要有兩種:一種是在施工過程中布置測量斷面,間隔一定的時間由人工使用各種機械式或機械-電子式收斂計測量;另一種是借助隧道斷面儀定時定點測量待測斷面。它們共同的特點是不能實時監(jiān)控、成本高等。我們基于FPGA構(gòu)造了隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)具有高精度、自動化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢,該系統(tǒng)能用于隧道施工安全、防止事故發(fā)生。
二、需求分析
2.1 功能要求
系統(tǒng)需要實施監(jiān)控鐵路隧道施工安全情況,如圖1系統(tǒng)架構(gòu),我們將半導(dǎo)體激光器架設(shè)在穩(wěn)定地圍巖上,作為參考基準(zhǔn)點。需要觀察的不穩(wěn)定圍巖出架設(shè)我們設(shè)計的系統(tǒng),通過CCD感應(yīng)光斑的位置,從而反映鐵路隧道圍巖下沉的情況。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
2.2 性能要求
系統(tǒng)需要高精度地反映鐵路隧道圍巖下沉的狀況,需要排除外界干擾因素等影響,比如外界溫度,濕度都會影響光線傳播的路徑;外界光線過強,會造成CCD飽和失真等等。我們需要消除這些因素,從而達(dá)到高精度的特點。從圖2中可以看到兩者CCD采集到的數(shù)據(jù),它們都有不同程度的干擾,基于FPGA的IP核設(shè)計思想,采用濾波算法將外界干擾信號消除,提取出有用信號,真實地反應(yīng)鐵路圍巖隧道下沉的狀況。
圖2 CCD采集到的兩組數(shù)據(jù)
三、方案設(shè)計
3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示:采用XILINX Spartan-6評估套件為基礎(chǔ),它是采用XC6LX16-CS324為核心處理器,外擴16M RAM,16M PCM和16M PCM的評估套件。CCD采用天津耀輝光電有限公司生產(chǎn)的USB CCD采集卡,所以采用開發(fā)板上的USB Host模塊,將CCD采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉AM中?;贔PGA的IP核設(shè)計思想,采用濾波算法將外界干擾信號消除,提取出有用信號。經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)由板上的四位數(shù)碼管顯示,并通過以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
3.2 硬件平臺選用及資源配置
硬件平臺選用:XILINX Spartan-6 Nexys™3 Spartan-6 FPGA Board。
使用到板上資源:USB Host,數(shù)碼管,以太網(wǎng),按鍵,LED等。
3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
如圖4所示,系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集、處理和傳輸三大部分。其中數(shù)據(jù)采集由USB Host驅(qū)動CCD采集卡;數(shù)據(jù)處理是基于FPGA的IP核設(shè)計思想;數(shù)據(jù)傳輸采用以太網(wǎng)傳輸方式。
3.4 系統(tǒng)軟件流程
圖4 程序運行流程圖
3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果
完成系統(tǒng)設(shè)計,應(yīng)用到實現(xiàn)工程項目當(dāng)中。
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