（信号与信息处理专业论文）隧道信息自动监控系统的软件设计.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着2 1 世纪经济、技术和科学的发展，工程建设和交通事业也在不断的发展。尤 其是在现代隧道施工新技术上提出了隧道施工监控量测技术，对如何处理、分析监测信 息并判断围岩和隧道支护结构的安全状态提出了更高的技术要求。 本文依据隧道施工技术规范，并结合实际的隧道项目工程建设的各种性能指标要 求，设计了基于m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 低功耗单片机的自动监控系统设计方案，通过多路振弦 土压力盒传感器，完成对隧道应力的数据采集，采用红外摄像机对隧道各掌子面施工情 况进行视频监控。运用u d p 传输协议组成无线树状网络，完成与上位机的数据通讯。 上位机采用c + + b u i l d e r 开发环境设计人机交互界面，结合s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库技术， 完成隧道应力数据的采集和历史数据的查询、管理等操作。 本文的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 设计了基于m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 低功耗单片机的隧道应力监测系统。本系统采用1 6 路振弦土压力盒传感器采集隧道应力数据，经过激励电路激励振弦传感器产生振动信 号，然后利用多通道模拟开关切换选通信号输入，通过程控放大进行信号的前端放大， 通过滤波、整形得到标准的方波信号。数据采集系统内置了镁数转换器、数模转换器、 u s u 汀通信接口等，实现了智能采集设计。系统通过u d p 传输协议实现采集板与上位 机之间的通讯，为了防止传输错误，系统进行了b c c 校验。 ( 2 ) 完成了隧道信息自动监控系统固件程序开发，采用l 氓开发环境，功能模块划 分明确，程序结构层次化。在设计时利用中断服务来得到采集的数据，节省了大量的时 间。 ( 3 ) 采用可视化开发工具c + + b u i l d e r 设计隧道信息自动监控系统上位机界面。配置 通道参数，采集选择通道的振弦频率数据；设定预警值，进行自动报警：调用s q ls e r v e r 2 0 0 5 数据库，对数据进行存储和管理：选择模块号，进行现场视频监控；设计多重权限 的用户管理，保证了用户信息的安全性。 ( 4 ) 根据隧道信息自动监控系统的各项性能指标进行功能测试。使用信号发生器模拟 振弦数据进行采集数据的验证；结合上位机采集数据的实时显示，验证数据传输的准确 性。反复进行系统测试，保证了整个系统安全、稳定、可靠地运行。 目前隧道工程建设的迅猛发展，工程项目人员对其质量的监测技术也越来越重视， 根据实际工程项目的需要，本系统不仅稳定可靠、性价比高，而且还具有强大的数据库 管理功能和现场施工视频实时监控等功能，目前已在隧道工程项目中实际运用。 关键词：隧道信息；视频监控；m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 ；u d p ；c + + b u i l d e r ：数据采集 隧道信息自动监控系统的软件设计 a b s t r a c t w i n lt h e d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y ，t e c h n o l o g y 缸l ds c i e n c e i l lm e21s t c e n t u 】眵，e n g i n c e r i n gc o n s 仃u c t i o n 锄d 廿a m cc a r e e rd e v e l o pc o 璐t a n t l y e s p e c i a l l yi i lm o d 锄 咖e lc o m i 觚c t i o nt c c h l o l o g y ，i ti sp u tf 0 眦a r d 、_ h i c hi s 也en m n e lc o n 驰m c t i o nm o m t o r i n g m e 私u r e m e n tt e c h i l o l o g y w h a tt 0d o 埘t l l 锄d 锄a j y t i l em o i l i t o r i n gi 响册撕o i i c o r d i n g t 0t h e 删”i c 他s u l t j u d g y i n g 也es a f es t a l eo ft u 皿e l 鲫咖d i n gr o c k 觚d 踟p p o r t i n g 蛐r u c t u r eh 嬲t i l el l i g i l e rt e c h l o l o g yr e q u i r e m e n t a c c o r d i n gt ot l l et u 皿e lc o n s 仃1 屺t i o nt e c l l i l i c 甜s p e c i f i c a t i o n 锄dm ll ( i n d so fp e r f 0 m 锄c e i n d e xi i lp r t i c 出t u 衄e l 饥g i i l e 耐n gc o 璐廿i l c t i o 玛t h i sp a p e rd e s i g r i s 觚叫协i 聃t i cm o i l i t o r i n g s y s t 锄b 嬲e do nm s p 4 3 0 f 2 12 2w t l i c hi sau l 缸试o wp o w e r c o r i s 啪洒gm s p 4 3 0s e r i e sc m p n l i c r o c o m p u t 盯d a t a q u i s i t i o no ft l l et u m l e ls t r e s si s m e v e db yt l l ev i b r a t i l l gw h p r e s s u 糟c e l l v d e om o i l i t o r i n go ft l m lc 0 i l s 仇l c t i o no p e r a t i o ni s h i e v e db yi n 丘a r e d c 锄锨ni i i l p l 锄e n t e dt l l ed a l ac o m m u i l i c a 6 0 nb e t w e e nm ed a t a q u i s i t i o ns y s t e mb 弱e d0 n m s p 4 3 0 f 2 l2 2m c ua n du p p e rm a c l l i 鹏b 弱e do nu d p 位m s p o n p r o t o c 0 1 1 r i 圮u p p e rm a c h i h 嬲c o m p l 鼬e dt l l e 纰孔q u i s i t i o no ft u 肌e ls a 陀s s ，d a _ t aq u e r y 砒1 dd a t am 觚a g e m e n to ft h e l l i s t o d ，d a t 钆刖1o ft h ew o r ki s l l i “e dt l l r o u g l lt 1 1 ec + + b u i l d e r 锄ds q ls e r v e r2 0 0 5 d a 讪a s e t 1 1 i sm 旬0 rw o r ki i l c i u d e st l l ef o l l o w 证ga s p e c t s ： ( 1 ) b a d 伽m s p 4 3 0 f 2l2 2l o wp o w 盱m c ut u r m e is 吮s sm o i l i t o d n gs y s t e m 1 1 l i s s y s t e mi l s e st l l ev i b r a t i n g 、i i p 陀s s u r ec e l lt 0c o l l e c td a 饥p r o m p t i n gt l l ev i b r a t i n g 、) i ，i r e p r e s s u 他c e l lp r o d u c t sv i b r a t i o ns i 印a j sm r o u g hp r o m p t i e rc 疵u i t ，t l l e n “l 娩i n gm 山t i c h 朋n e l a i l a l o gs v v i t c hs n 0 b ei n p u tm es i 鄂l a l ，锄p l i 母i i l gm es i 掣l a lb yp r o g r a j n - c o n n 0 l l e d 锄p l i f i 他c e i v i i l gt h es t 锄d a r ds q 嗽w a v es i 割闭t h 】r o u g hf i l t e r i n g 觚d 他s h a p 证gt o 锄p l i f i e ds i 伊l a l t h e s y s t e m i i l c l u d e s龇 d i 舀t 暑曲枷o gc o n v 嘲o r ，a 砌o g d i g i t a lc o n v 钮o r ，u s a r t c o m m u | 1 i c a t i o ni i l t e r f k e ，糟c e i v e dm o t i o ng a m e 咖gd e s i g n t h e s y s t c mu s e st l l eu d p 咖s p o r tp r 0 妣o lt 0 勰h i e v em ec o i 姗u i l i c a t i o nb e t w e 锄t l l e q u i s i t i o ns y 啦m 锄du p p c r m m n e i l lo r d e rt 0p r e v 铋t 也e 仃a r i s i l l i s s i o n 曲璐，s ) ，s t e m 璐e sb c cc h e c k ( 2 ) u s i n gl a rd e v e l o p m e n te n v i r 0 啪e m ，k e v e dt l l ef 姗w a r ep r o g r a md e v e l o p m e n to f t u n n e la u t o m a t i cm o m t o r i n gs y s t e m ，d i v i d e dt h e s y s t e mi r i t 0 v e r a l f u n c t i o n m o d e l s ， p r o g r a ms 饥尬t u 陀m e r a r c h y i i lt i l ed e s i g 玛m i n gt h ei s r ( i n t e m 巾t 辩r v i c er o u t m e ) t 0r e c e i v e t i l e q u i s i t i o nd a t a 强v i n gal o to ft i m e ( 3 ) m m 汜u 舱o f 也e 刮斗b l l i l d e ra v i s u a ld e v e l o p m e mt o o lo r i e n t e do b i e c t ，d e s i g n e d 也e u p p c ri i l t e 渤c e c o n f i 妒dm ec h 锄e lp 蹦蚰e t e r ，m e ng a t h e r e d 恤v i b r a t i o n 舶q u e n c y ，b y 靶n i n gt l i ee a l l yw 删n gv a j u c e ，h a da u t o m a t i ca l 锄丘m c t i o n s t o r e dm ed a t ab yu s i n gs q l 西华大学硕士学位论文 s e r v e rd a t a b a s e ，t h ed a 组s t o r a g ea i l dm a n a g e m e m t h r o u 曲s e l e c t 洫gt l l em o d u l en 哪k i r m o i l i t o r e d 锄l dc o n t r o l l e dm es p o ti n f o 肌a t i o n d e s i 印e dt h em u l t i p l e 硼m o r i t ) ru s e r m a n a g e m e n t t 0e 璐u r et l l e 翰f e 哆o f 璐e ri i l f o m l a t i o i l ( 4 ) t e s tm es y s t e m 如n c t i o n 扯c o r d i i l gt oc v e 巧p e r f o m l a n c ei i l d e x ，u s e ss i 伊l a lg e n 耐0 r t 0 锄础o gt h e 、，i b r a t i o n 出瞳ai no r d e rt ov a l i d a t en l e 觚q u i s i t i o nd a 衄c o m b i i 曲g 、v i 也t l l e 陀a 1 - t i i n ed a t ad i s p l a yi nt l l eu p p e ri n t e m l c et 0v a l i d a t et 1 1 ee x 孔恤e s so fd a ：t a 昀n s 皿s s i o n t l l r o u 曲廿l e 血n c t i o nt e s tf o rt l l eu p p e ri i l t e r f a c e b yr e p e t i t i o u st e s t ，e n s u r e dt l l es e c u r i q 凡 s t ；a b i l i t ) r 舡l dr e l i a b i l i t yo ft l l es y s t e m a tp r e 她、) l ，i m 也i em p i dd e v e l o p m e n to ft u 】m e le n g i n e e 咖gc o n s 仃u c t i o n ，p r o j e c ts t a 行o n 吐l eq 砌i t ) rm o i l i t o r i n gt e c h n o l o g yi sa 1 s 0a 仇a c h e dm o r e 锄dm o 他i n l p o r t 锄c e ，c o r d 洫gt 0 m e t u 赳p r o j e c t t h es y s t e mi ss t a b l e 锄dr e l i a b l e ，c o s t e h e c t i v e ，b u ta l h 勰ap o 、v e r f m d a 协a m 匝a g e m e n tf h n c t i o n 强dc o n 咖t i o no fv i d e or e a l - t i l l l em o i l i t o 血g ，h 暑略b 唧i i l t l l et i 啪e lp 删e c tp r i l c t i c 出印p l i c a t i o n k e yw o r d s ：t l m n e li n f o m 眦i o n ；v i d e om o r l i t o r i n g ；m s p 4 3 0 f 2 l2 2 ；u d p ；c + + b u i l d e r ； d a t aa c q u i s i t i m 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 国内外现状和发展趋势 我国地域辽阔，地表结构复杂，是一个多山之国。据统计，我国的山地、丘陵和高 原面积占国土总面积的6 9 。在过去的公路建设中，采取的方法比较传统和古老，多是 以盘山公路为主，这种公路的绕行里程长，能耗高，汽车的损害比较严重，给人们造成 了较大的经济损失，并且这种公路建设对生态环境破坏比较大，安全隐患也多，容易对 人们的生命安全造成威胁。近些年，随着我国经济水平的持续快速增长，人们对交通建 设也越来越重视，尤其是对公路隧道的优先选择上越来越重视，数量和规模都在快速地 增加和扩大，特别是在山区比较多的西南和西北地区。据最新统计资料显示，我国目前 的铁路和公路隧道总长度居世界第一，约4 3 7 0 多公里，其中公路隧道总长度为7 0 4 公 里，是改革开放之初的1 3 5 倍，目前我国已经成为世界上地下交通工程最多、最复杂也 是发展最快的国家i l j 。在诸如山区和丘陵这些环境复杂的地区发展道路建设，开掘隧道 建设方案是最直接也是采用率最高的交通建设方案，它可以有效地缩短行车里程，提高 线性标准，保障行驶安全，保护生态环境等。但是从现实隧道工程建设情况来看，隧道 工程建设是一项艰苦并且危险性高的项目，故如何在保证施工安全的情况下，高效率地 提高隧道掘进的质量和速度，是越来越多的工程建设单位所考虑和重视的问题。而影响 工程线路质量和工期的主要因素是隧道的围岩稳定性，它也是工程界最为关心的问题之 一。为保证高效率地提高隧道掘进的质量和速度，保证开挖过程中的安全和长期安全运 营，须保证隧道围岩不塌方、不产生过大的变形，保证围岩与支护结构都长期稳定。 正由于隧道围岩稳定性评价与支护结构的重要性，近年来，国内外已经应用了很多 方法，诸如力学解析方法、数值计算方法、反分析法、现场监控量测法【2 】等。 l 、力学解析方法 从1 9 世纪开始，人们就对隧道围岩的稳定性和围岩土压力进行理论性的科学研究， 到目前为止，已经经历了四个力学理论，它们依次是古典压力、散体压力、弹性力学、 塑性力学。现在许多科学研究人员对隧道围岩稳定性和围岩土压力的分析判断中，都应 用了上述力学理论。 2 、数值计算方法 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法被应用到围岩稳定性的分 析中，如有限差分法、有限元法、边界元法等。通过力学方程计算围岩在一定环境下的 应力场和变形场，然后根据岩土体的破坏准则，对整个结构的稳定性做出评价。 隧道信息自动监控系统的软件设计 3 、反分析法 这种方法是以现场量测到的反映力学行为的某些物理量为基础，通过反演模型推算 到该系统各项参数的方法，其预期目标是通过现场量测信息确定模型参数，使其能得到 与工程量测值相一致的分析结果。 4 、现场监控量测法 现场监控量测方法是采用现代测量技术，一边施工一边进行各种量测，并将得到的 信息实时地反馈到设计中，这种方法适应复杂多变的地质环境，能力比较强，可弥补围 岩分级法以及理论计算法的缺陷。它能够对围岩的受力变形进行及时有效的监控以及合 理正确的分析，根据监控量测的数据及其分析结果与事先方案中预设的支护参数比较， 如果出入较大，则立即根据分析结果对支护结构作相应的修正，使隧道的设计和施工纳 入科学管理体系中【3 1 。因此，在隧道施工过程中，通过现场监控量测方法对隧道的围岩 稳定性和支护结构做出判断，并根据分析结果及时对设计作出调整，已越来越多地被隧 道工程界所采用。 但是迄今为止，国内在对隧道的现场监控量测的信息进行处理及反馈的速度慢，与 国外先进的信息化施工相比有着很大的差距。国内在隧道工程施工上，测量应力应变多 是采用手动的方式采集，方法比较原始，并且采集的通道较少，需要派人专门到现场采 集数据，采集完后还须把数据转存到计算机上进行处理分析，这种手动采集方式不但采 集成本高，数据处理不方便，而且在有些复杂危险的地方，项目人员很难到达现场采集 数据。这不仅给隧道工程建设带来了不便，还制约了隧道施工的信息化。因此，如何对 监测得到的大量数据进行及时有效地处理和分析，进行智能自动化管理是监测领域的一 个发展方向【引。 1 2 研究目的和意义 对隧道信息的监控量测是为保证隧道开挖过程中的安全及其长期安全运营，在隧道 开挖和运行过程中须保证隧道围岩不塌方、不产生过大的塑性挤入变形，围岩及支护结 构长期稳定。 随着信息化的发展，隧道信息监测经历了人工监测、半自动化监测、自动化监测的 发展过程。人工监测方式需要大量的工作人员到现场进行数据采集和协同工作而现场 的测点范围多，工作量大，每个工作人员测量的精度很难达到一致，这就导致了监测数 据在时间和空间上缺乏一致性，数据精度低，同时也浪费了大量的人力和财力资源，延 长了工程的工期，提高了工程造价，如果遇到对隧道围岩产生显著影响的天气( 比如暴 雨、冻融、地震等) 后，就需要增加观测频率，此时人工监测就难以达到要求。随着技 2 西华大学硕士学位论文 术的不断发展，在7 0 年代后，对隧道信息的监测模块提升到半自动化监测方式，这种 监测方式虽然在精度和速度上有了一定的提高，但是仍不能满足实际工程运行的性能指 标。在2 0 世纪8 0 年代，隧道信息的监测技术有了很大的提升，监测模式也提升到自动 化监测方式，在国外诸如美国、日本等工业发达国家对监测方向的自动化情况来看，有 些国家侧重于数据信息的自动化管理，有些国家侧重于采集仪器的自动化管理。而随着 微电子技术和网络的快速发展，分布式监控数据采集系统出现了，对于监测技术又是一 次大的提升p 】。而我国的自动化监测系统起步较晚，对现场监测数据的处理和反馈速度 比较慢，在隧道施工过程中监测数据和视频的实时传输上存在着很大的制约性。因此本 文的目的是在隧道施工过程中，对隧道的应力进行实时现场监控量测，把监控量测的数 据通过无线传输实时到监控指挥中心，现场对土压力的采集监测能够掌握围岩动态和支 护结构的工作状态，现场的视频监控能够将各个掌子面的施工情况实时地传输到监控指 挥中心，本系统它既能监视围岩是否安全稳定，又能够检验支护结构是否合理，配合其 他工作，能使设计、施工达到更满意的效果【6 l ，对提高工效、降低成本、保证安全均有 非常重要的作用。 隧道信息自动监控系统能够实时地得到可靠的土压力监测数据和各掌子面施工视 频，及时了解隧道围岩的应力和现场的施工情况，根据得到的监测数据分析隧道围岩的 稳定情况，能够准确地对隧道围岩稳定性进行评价，并使其定量化、系统化、程序化【刀， 形成一个全面的智能评价体系，并快速地把评价结果反馈于施工方，对支护结构的参数 进行修正，并能通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取 措施，防息于未然，此研究对于提高工程效率、降低成本、保证施工安全有着重大的意 义。 1 3 主要研究内容 本课题研究目标实际上是设计一套隧道信息自动化监控系统，可以实时采集1 6 路 振弦传感器数据和现场各掌子面施工图像，通过先进的数字信号处理技术对采集到的正 弦信号运算得到精确值，可以远程自动监控量测现场的应力应变数据和现场各掌子面施 工情况，数据通过无线通信传输到监控指挥中心。隧道信息自动监控系统的各项性能指 标如下： ( 1 ) 采集器支持单通道和多通道的数据采集。 ( 2 ) 支持实时采集、定时采集两种采集方式。 ( 3 ) 测频范围：4 5 0 3 5 0 0 h z ；工作温度：2 5 + 1 2 5 。 ( 4 ) 测试精度：频率达到o 0 l h z ，温度达到0 1 。 3 隧道信息自动监控系统的软件设计 ( 5 ) 数据传输距离：现场采用无线传输方式将数据传输到监控中心。 ( 6 ) 采集器电源：1 2 v 2 a 电源，采集器内部具有锂电池，断电情况下可以自动储存数 据，继续工作1 2 小时。 因此隧道信息自动监控系统需要具有以下功能： ( 1 ) 用户管理 为了提高隧道信息自动监控系统的安全性，通过安全技术和访问权限控制对什么人 能够访问该系统进行管理【3 】，把非法用户挡在外面，提供了多重权限的功能，保证用户 信息的安全性。用户权限分为超级管理员、普通管理员、普通用户。 ( 2 ) 数据采集 系统采用1 6 路振弦土压力传感器，按照具体施工技术规范【9 】进行分布安装，对隧道 围岩的不同位置的应力进行采集。 ( 3 ) 信号处理 采集到的正弦信号经多通道模拟开关选通，并经滤波、放大、整形得到精确的方波 信号。 ( 4 ) 数据显示 可以把现场采集到的数据实时显示出来，通过预警值比较，显示出采集应力值的状 态，可以实时地显示现场施工视频以及视频回放，对采集到的数据还可以以图形化动态 显示出来，自动生成了满足隧道信息安全管理的报表。 ( 5 ) 数据管理 可以通过工程编号、采集模块编号按查询全部、查询指定通道、查询指定时间段、 查询指定频率段等多条件查询数据，对查询出来的数据可以进行单条删除、多条删除、 导出e x c e l 等操作；并显示曲线图以及导出到w o i m 等各种操作功能。 ( 6 ) 视频监控 管理人员可以方便地在屏幕上监视到各个点的摄像机传来的图像来观察现场各掌子 面施工情况，大大减少了安全监管的人员、路途以及时间。 ( 7 ) 多级预警 系统具备预警功能，系统分为四个报警等级1 1o 】( 红、黄、蓝、绿四级) ，根据采集 的数据，综合分析，结合提前设置的警戒值，进行分级警报控制，为安全施工提供了保 障。 ( 8 ) 参数配置 设置系统的通道参数，包括项目名称、采集模块编号、通道号、初始频率、模量系 数等基本参数，并对配置参数可以进行添加、删除、修改、刷新等操作。 4 西华大学硕士学位论文 1 4 本文的章节安排 本课题是针对目前国内隧道建设事业的迅猛发展以及在隧道开挖过程中围岩和支护 结构受力与变形情况监测必不可少的需求地位所提出的。经过查阅了大量的相关文献以 及隧道施工监控量测技术规范，收集了相关方面的技术资料，对隧道围岩应力数据处理 算法进行了深入研究以及对无线通信模块的深入理解，完成了隧道信息自动监控系统的 整体框架构思设计。并经过项目实际运行验证，保证了本系统的稳定性、可靠性。 本课题共分六章，各章节的安排如下： 第一章：绪论。本章主要介绍了本课题相关领域的国内外现状和发展趋势、研究目 的和意义以及本课题主要的研究内容。 第二章：隧道信息自动监控系统整体方案设计。本章重点描述了隧道信息自动监控 系统的硬件设计方案和软件设计方案。在硬件设计方案中，确定了传感器的类型和主控 芯片，对主要硬件模块做了详细说明，并规划了整个系统的总体结构；在软件设计方案 中，主要详细地介绍了软件的总体设计、系统功能规划以及数据存储管理等方面。 第三章：隧道信息自动监控系统固件程序设计。本章主要介绍了固件程序的开发， 并对主程序设计、数据采集模块、数据接收模块和无线通信模块的设计进行了详细介绍。 第四章：隧道信息自动监控系统主控程序设计。本章介绍了主控程序对数据库的访 问和上位机界面程序设计。并对上位机的界面设计做了详细介绍。 第五章：系统软件测试与功能验证。本章主要是对系统的软件功能进行测试，验证 系统的功能实现以及软件运行的稳定性和可靠性。 第六章：总结与展望。本章主要是对本课题以及论文进行了归纳性的总结，并对隧 道信息自动监控系统指明了系统的可扩展性，同时也对这一研究领域进行了展望。 5 隧道信息自动监控系统的软件设计 2隧道信息自动监控系统的整体方案设计 隧道信息自动监控系统的整体方案设计如图2 1 所示，系统是由现场数据采集子系 统、视频监控子系统、无线通信子系统、远程监控中心子系统组成。 ，v 一、 i n t e m e t l l 一。； 三登望， 。11。：。一 ! 串口转换器1 l 7 ，? _ _ 么 1 7 r s 4 8 5 ，：) e ：一 采集仪l 远程监控中心 m f i 路由器 1 匾。卷：掰少。每、 串口转换器2 了一 r s 4 8 5 、q 】 采集仪n 图2 1 隧道信息自动监控系统的整体框架结构图 f i g 2 1s 协l c t u 托o fa u t o m a l i cm 砌t o r i i l gs y s t e mf o rt u 加e li i l f 0 珊a l i o n 在隧道信息自动监控系统中，主要分为现场数据采集子系统、无线通信子系统、视 频监控子系统、远程监控中心子系统。在现场数据采集模块，对于土体应力检测采用 振弦式土压力盒。此振弦式传感器带有高精度数字温度传感器，可自动修正结构的测试 值。通过多路模拟开关电路切换来选通对应的输入信号，并且通过检测电路对正弦信号 进行滤波、放大、整形得到方波信号【l 卜眩】。现场振弦采集子系统采用t i 公司推广的1 6 位超低功耗m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 单片机为核心，其存储容量为3 2 k b ( f l a s h ) ，1 k b 假a m ) ， 1 6 位a d 转换，片内含有一个硬件串行通信模块，1 4 个i o ，还具有带可编程电平监测 的电源电压管理和监测【1 3 】。经单片机处理后的数据通过r s 4 8 5 传输到串口转换器l i 4 1 ， 然后通过无线网络并根据自主制定的通讯协议传输到上位机，实现了集中式管理分布式 6 ，；厂| 咿 u 氢 公辔一 西华大学硕士学位论文 操作。视频监控设备采用了国内外领先、兼容性好、成熟可靠的红外摄像机【1 5 】，它内部 含有口，无需手工设置，不需要通过交换机就能直接连接p d v r ，直接通过网络供电， 操作非常简单，并且在恶劣的监控环境下也能呈现清晰画面。远程监控中心上位机采用 了由b o r i a n d 公司推出的一款可视化集成开发工具设计的人机交互界面，实现了动态显 示监测数据及动态曲线、用户管理、系统参数设置、数据存储管理、预警值设定，并且 具有实现多级报警、数据查询、数据曲线显示、文档的存档以及自动生成报表打印等功 能。在本设计中，只设计振弦采集仪的软件设计和上位机监控中心软件设计，其它部分 做相应的介绍。 2 1 隧道信息自动监控系统的硬件设计方案 2 1 1多通道振弦采集仪的设计 振弦采集仪是一种基于岩土原位监测的仪器，它适用于各类振弦式传感器采集频率 信号，如振弦式土压力盒、表面式应变计、混凝土应变计、钢筋应变计、内埋式裂缝计 等。利用这些振弦式传感器可对隧道、大坝、堤防、桥梁、引水工程、高边坡工程以及 交通市政等工程的应力、应变、变形、渗流、渗压等物理量进行监测和安全稳定分析【1 6 】， 它广泛应用于隧道、桥梁等健康交通监测领域。 振弦采集仪是采用超低功耗1 6 位单片机技术，利用多次求均值法对采集到的正弦 信号进行运算处理得到精确的频率值【1 7 1 ，仪器硬件集成化，具有很强的软硬件抗干扰 措施。内部全部采用最新工业级耐高低温元件，配有r s 4 8 5 接口，电源适配器，可远距 离方便地在上位机对采集仪进行远程控制。 1 传感器类型的选择 在对隧道应力自动监控中，传感器是数据采集的关键部件。在实际的隧道工程建设 过程中，地质环境条件复杂恶劣，温湿度大，如果传感器器件选择不当，则系统长期工 作会出现稳定性差、精确度低等问题，从而影响了对隧道围岩和支护结构的稳定性评价 和判断，甚至会出现由于评价判断不准确而造成的施工不安全。由此可见，对于传感器 的选择至关重要。 传统的压力传感器测试精度低、分辨率低，在大量程范围内灵敏度低，对温度很敏 感，测量的频率信号受环境温度和电缆芯线影响较大，信号衰减比较快，稳定性难以保 证，不适合隧道应力监测中测点多、温度变化范围大、远距离传输等要求【i 引。近几年来， 随着科学技术的进步和电子技术的迅猛发展，许多工业厂家引进了国外的先进测量技 术，振弦式传感器也越来越多地应用于隧道、桥梁、大坝等应力的监测系统中。振弦式 传感器输出频率信号，且抗干扰能力、稳定性、可靠性以及测试精度均较强，频率信号 隧道信息自动监控系统的软件设计 不易衰减，对传输电缆的要求也比较低等诸多优点，非常适用于远距离传输并且大大降 低了工程造价【1 9 】。在对隧道应力监测中，隧道内部的地质结构复杂且环境恶劣，在施工 过程中对技术要求比较高，所以振弦式传感器非常适用于对隧道工程的应力、应变等物 理量进行监测和安全稳定分析1 2 们。在本系统中对于隧道应力采集采用t f l t y p x x 型 系列振弦式土压力盒，它是一种埋入式通用土压力传感器，适用于各种条件下土体内部 应力的测量，能够适应长期监测和自动化测量，并且该振弦式传感器自身带有高精度的 数字温度传感器1 2 1 j ，可自动修正结构的测试值。 2 振弦式土压力盒的特点和工作原理 振弦式土压力盒输出的信号是频率信号，且测量精度能够达到很高，并且它的精度 不会随着距离的增加而降低，适用于远距离传输，这是它的显著特点之一。另一方面， 从结构特征上来看，振弦式传感器属于整体性钢质结构，没有活动元件，稳定性和可靠 性都能达到很高，在现在的高科技先进工艺水平下，可以设计出精度很高的传感器。振 弦式土压力盒最重要的一个优点是振子的阻尼很小，谐振响应曲线比较窄，如图2 2 所 示，振子在振动时需要消耗能量，主要是因为它的结构内部会产生一定的阻尼，这就需 要外部来给它施加激振力。而振弦式土压力盒振子的阻尼很小，从而振动时需要消耗的 能量也就极少，频率的选择性也会越好( 频率选择性是指传感器从不同的频率信号中选 出所要的频率信号的能力) ，传感器的精度就越高田j 。总之，振弦式土压力盒具有以下 几个优点：输出频率信号的稳定性高、长期在恶劣环境条件下工作可靠性高、适用于长 距离传输、适应在地质环境复杂的条件下工作。 n 飞f 图2 2 振子的频响曲线 f i g 2 2f 他q u e n c y 髅p o n 辩o fv i b 甩t 凹 振弦式土压力盒的工作原理是首先通过激振使电磁线圈驱动起来，然后对产生的信 号频率进行判断，看是否与振弦式土压力盒的固有频率趋于一致，如果是的话，就会促 使振弦式土压力盒的弦达到共振，振弦共振产生的感应电动势先通过低通滤波器进行滤 波，然后经过程控放大器对其进行放大，最后将放大的信号进行整形得到方波信号，方 8 西华大学硕士学位论文 波信号通过单片机的i o 口送入给单片机进行处理，单片机根据送入的信号将用软件方 式又把它反馈给激振电路，然后激振电路产生脉冲信号再次驱动电磁线圈。通过电磁线 圈驱动产生的变化磁场能够使振弦在本振频率点振动起来。当最后激振电路不再产生脉 冲信号之后，弦由于它特有的惯性作用还会继续振动。那么根据振弦式土压力盒传感器 的工作原理，本文通过测量在l s 内单片机可以接收多少个脉冲周期来计算振弦式土压 力盒的振动频率。振弦式土压力盒应力物理量计算公式如式l 所示： ，= k ( f 1 2 f 0 2 ) + k t ( t j - t o )( 式1 ) 式中各参数代表的意义如下： 尸当前时刻相对初始位置的压力量，单位( k p a ) ： i r 振弦式土压力盒与频率的系数，单位( k p a ( k h z ) ) ； f 2 当前时刻的输出频率，单位( k h z ) ； f 0 2 初始的输出频率，单位( k h z ) ； k 广温度修正系数，单位( 1 0 - 6 ) ； n 一当前时刻的温度值，单位( ) ： t o 一测量f o 时的温度值，单位( ) 。 振弦式传感器对温度比较敏感，频率受温度影响较大，因此在传感器测试中必须包 含有温度的测试，来修正测试数值使其正确，而该t f l - p ) ( ) ( 型系列振弦式土压力盒自 身带有高精度数字温度传感器，能够自动修正结构的测试值。这种振弦式土压力盒的 性能指标如下： 量程： 0 3 m p a 0 6 m p a 1 m p a 2 m p a 4 m p a 6 m p a 灵敏度：0 1 h z 0 0 0 1 m p a 测温量程( ) ：5 0 + 1 2 5 测温精度( ) ：0 5 3 采集系统总体结构 本系统的总体结构如图2 3 所示。 主控芯片是采集系统的c p u 。本系统采用1 r i 公司推广的1 6 位超低功耗 m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 单片机作为数据采集系统的核心芯片，它是一种超低功耗的混合信号处 理器，具有低电压、超低功耗的省电模式；丰富强大的处理能力；自动复位、系统稳定 工作【2 5 l ；集成了强大的片内外设以及所使用的开发环境方便高效等特色，使它在工业 控制领域应用极其广阔。单片机的功能结构图如图2 4 所示，其参数指标如表2 1 所示。 在整个硬件电路设计过程中，主要介绍以下几种：激励电路、数据通道选择电路、 检测电路。 9 隧道信息自动监控系统的软件设计 图2 3 采集系统结构框图 f i g 2 3s 仃u c n l f eo fa c q u i s i t i o ns y s l 椭 ，千。 vvv ：0 o c o m 一 m 心p a 竹 l 臀荸 r- - _ -r -5 2 l o _ 吣岫帕 柚5 2 c h y _ _ m _d 柚2 嘲 o c n a _ b c vl i 栅 a 岫 - n a u a n 皇 呲 m t 嘲岫 啪，tt ， 。l jk ol i j- ，t c _ t 6 一l 1r jl 1r 嘲- jlj r 土 ttt ，7 1r 1r 1 r1 r1 u s c 吣欧 n _ o 3r - _ j 口 u 盯 h b 日“ n d 嘲 竹a t +似s h p - b n c _ 巾 3 c c2 c c 1 5 一 _ n u s a s p l 吐c e ：刁 图2 4 胚p 4 3 0 f 2 1 2 2 的功能结构图 f i g 2 4m s p 4 3 0 f 2 l2 2f i 肌c t i o n a ib l o c kd i a g 阳m 表2 1 粥p 4 3 0 f 2 1 2 2 参数指标表 t a b 2 1p 锄锄e t e rv 山v eo fm s p 4 3 0 f 2 l2 2 f 陀q u e 哕( m h z ) f l 越h ( k b ) s r a m ( b ) g p l ot i m e 巧 w a t c h d o g 1 6 4 5 1 22 42y 器 b r o 、v no u t1 1 舅娥u s c iau s c ib c o m p 啪t o 巧t e m ps e n s 0 r a d c y e sily 髓y 瞄1 0 1 0 西华大学硕士学位论文 ( 1 ) 激励电路 采用振弦式土压力盒采集隧道围岩应力，在采集振弦式传感器的正弦信号之前需要 先给一个激振电路对振弦进行激励，在这通过单片机m s p 4 3 0 f 2 1 2 2 的控制i o ( p 1 5 ) 口 来产生脉冲信号，该脉冲信号经过驱动后去控制三极管是导通还是截止，而激励振弦振 荡需要高压脉冲，故在三极管后需要一个升压电路进行升压，电压达到1 1 0 v 后经过一 个可控硅来触发，使其高压脉冲信号加到振弦传感器的振弦线圈中来产出脉动磁场，振 弦由于磁场变化振动起来，从传感器输出衰减的正弦信号，输出的振动信号一般为毫伏 级【2 6 】。 ( 2 ) 数据通道选择电路 传感器输出的信号需要进行分时传输，本系统设计一个数据通道选择电路来解决。 它主要是由微处理器控制来实现多路信号的分时传输。本系统是1 6 路传感器信号，选 用d m 7 4 1 5 0 做为数据选择器，它是一种反码输出的1 6 选1 数据选择器1 2 7 1 ，其中d a t a i n p u t s( e 0 e 1 5 ) 为数据输入端，连接1 6 路传感器；d a t as e l e c t ( a b c d ) 为数据 选择端，按二进制译码，单片机的i o 口比较多，可以直接连接i o 口的p 1 o p 1 3 脚； s t r o b e 为选通输入端，只有在低电平时才有效，可以选择数据，接单片机的p 1 4 脚； o u t ( 啪为输出端，它为反码数据，接外部中断脚p 2 0 。其中功能表如表2 2 所示： ( 3 ) 检测电路 检测电路主要实现对传感器输出信号进行滤波、放大以及整形，得到方波信号，然 后送给单片机微处理器进行测频运算。在传感器输出的信号中，对设计真正有用的是振 动信号，而这些信号往往被混在很多高频信号之中失真了，所以要想使其测量的数据正 确，能够得到真正想要的信号，就需要使用低通滤波器【2 8 l 将高频信号衰减或者滤除掉。 在选择低通滤波器时，由于l r c 滤波器和r c 滤波器它们性能较差，对于高频干扰信号 的衰减能力不强，所以选择现在市场上比较流行的单片集成有源滤波器，这种滤波器灵 活性高，不需要外围器件就可以实现多种滤波功能，并且还可以白行地调整中心频率和 表2 27 4 1 5 0 的功能表 t a b 2 27 415 0m n c t i o nt a b l e l n p u t s cc c ts 口o b c s o u t p u 坞 d cba w xxxxhh lll l l o l llhl 口 llhll 2 隧道信息自动监控系统的软件设计 llhhl 3 lhlll e 4 lhlhl e 5 lhhll 6 lhhhl e 7 hllll 8 hllhl 凹 hlhll 日0 hlhhl l l hhlll 1 2 hhlhl e 1 3 hhhll 1 4 hhhhl 口5 品质因数，使用起来也比较方便。通过使用l t c l 5 6 2 单片集成有源滤波器对传感器输 出信号进行低通滤波，得到了有用的频率信号。而得到的正弦信号比