隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)的技術實現(xiàn)方案，軟硬件架構

一、項目概述

1.1 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力分布、整體力學形態(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)定性和指導施工的重要依據(jù)。對隧道圍巖變形進行及時的監(jiān)測和分析預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構造了隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)具有高精度、自動化、網(wǎng)絡化等優(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，我們將半導體激光器架設在穩(wěn)定地圍巖上，作為參考基準點。需要觀察的不穩(wěn)定圍巖出架設我們設計的系統(tǒng)，通過CCD感應光斑的位置，從而反映鐵路隧道圍巖下沉的情況。

圖1 系統(tǒng)架構

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、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖3所示：采用XILINX Spartan-6評估套件為基礎，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。