一种地铁隧道倾斜检测仪设计.pdf

公路 隧道 2011 年 第 1 期 总第 73 期 一 种地铁 隧道倾斜检 测仪设计 刘 剑 张彦红 陈 露 1 长沙市公路桥梁建设有限责任公司长沙41004 2 兰州铁路局定西工务段甘肃定西743000 摘 要 应实际工程需要 开发了一种基于嵌入式系统的地铁隧道倾斜检测系统 详细设计了该系统的数据采集 终端 嵌入式系统终端及系统的传输通信等部分 以嵌入式终端设备为主体 全面阐述了系统的总体设计与实现 最后在该硬 件系统上移植 了嵌人式操作 系统 IA N U X 并对 系统 的软硬件进行 了测试 调试 关键 词 地铁隧道嵌入式系统图形界面隧道倾斜 近年来 随着我国城市建设 的发展 城市地下工 程迅速发展 主要包括地下铁道 过街通道 各种市 政地下 T 程 以及人防设施 等 J 地下工程施工 会 引起地层移动而导致不同程度 的沉降和位移 由于 施工技术及周围环境和岩土介质 的复杂性 即使采 用最先进的施T 方法 其施 工引起 的地层移动也是 不可能完全消除 当地层移动和地表变形超过一定 的限度时就会造成地面沉 陷 基坑垮塌 隧道破坏 周边建筑物损害 地下管线损害等事故 导致严重经 济损失并产生不 良的社会影响 从而影响到隧道和 地表建筑物的正常使用和安全运营 尤其对于城市 地铁 一般都穿越城市 中心地 带 因建筑物 密集 施 工场地狭小 地质情况复杂 地下管网密布 交通繁 忙 施工条件受到 限制 对 环境 的控制 要求更 为严 格 正确估计可能发生的地 面变形 可以选择最佳 的施工技术 制定一套完善的措施 以确保施 工地 区 楼房 建筑物与地下管线等重要设施的安全 1 系统 总体设计 系统具体工作过程 首先 主控机向各区域控制 采集系统发送开始采集 的指令 各 区域系统接收到 该命令后 控制本系统中的传感器开始采集数据 并 读取采集到的数据 然后将所有采集 的数据打包发 送给主控机 最后 由主控机 完成数据 的显示 存储 处理 同时各区域控制采集系统也会定时的进行数 据的采集 并将采集到的数据存储起来 以备以后查 询之用 基 于 3C 2410 的隧道倾 斜监测 系统 的整 体操作透明化 使用简单 操作方便 图 1 图 2 2 系统 隧道终端 设计 系统隧道终端主要有 以下几个模块构成 各部 分的模块功能如下所示 I 0 IA 传感器 嵌入式数槲采集终端 D K 600n 感器 D G K6000Aq 感 器 嵌入式数槲来懿终端 D G K6000M t 感器 D 0 6 叫 懋器 嵌入式数据采饿终端 D a 60o0A传感器 图 1系统结构框 图 图 2 隧道倾斜数 据采集终端结构 图 根据 系 统 功 能 要 求 硬 件 部 分 以 微 处 理 器 A R M 9 s3C 2410 x 为核心 利 用 U SB 接 口作 为存 储数据 的接 口 利用 LC D 液晶触摸屏作为可视化界 面输出输入 利用微处理器通用 I O 口作为传输控 制命令 给被控对象 Fl ash 存储芯片电路用来保存 系统引导程序 嵌入式 Li nux 操作系统和应用软件 R A M 电路提供软件运行 的必要 内存 串口电路用以 在调试过程中 PC 机和嵌入式系统的通信 以及程序 的下载 以太网模块用于系统 N FS 文件网络共享 为了能够运行更加友好 操作更为方便 图形界 面化的嵌入式 L i nux 操作系统 依据 内核编译功能 编译选项的多少以及文件系统 的功能多少 中央控 制器 F l ash 存储芯片需要至少 40M B 的存储空间来 5 9 曰 日 曰 圈 日 田 曰 日 固 困 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 公路 隧道 2011 年 第 1 期 总 第 73 期 保存 L i nux 的 Im age 文件 如果选项较为齐全 那么 所需空问将更大 约为 60M B 左右 因此 本课题的 硬件系统就要 由大容量 的 F l ash 存储 芯片来构建 本系统使 用 K 9F 1208U O M N A N D FI A SH存储 器 K 9F 1208U O M的单片存储容量为 64M 8 位 64M字节 工作 电压为 2 7V 3 6V 采用 48 脚 T S0 P 封装或 48 脚 FB G A 封装 16 位数据宽度 可 以以 8 位 字节模式 或 16 位 字模式 数据宽度 的 方式工作 仅需单 3V 电压 即可完成在系统 的编程 与擦除操作 通过对其 内部的命令寄存器写入标准 的命令序列 可对 F l ash 进行编程 按页烧写 整块 擦除 以及其他操作 该芯片内部共有 4096 个存储 块 bl oc k 每一块有 16K b 每一存储块又有 32 个 页 byte 存 储 单 元 构 成 每 一 页 为 528byte 一 51 2byte M ai n A rea 16byte Spare A rea 结 构 N and Fl ash 以页为单位读写数据 而以块为单位擦 除数据 一般而言 块 页之间的关系随着芯片的不 同而不同 图 3 是它的电路接法 姻越 M 图 3 K 9F 1208U O M N A N D fl ash 的典 型接 口电路 2 1 R S一232 通讯 电路 设计 R S一232 接 口是 底层硬件平 台的调试端 口和 低速数据通 信接 口 在调试过程 中 3C 2410X 通 过 R S 232 接 口将其 引导信息 以及 L i nux 启动信 息定向传给 PC 机的超级终端显示 系统运行过程 中 3C 2410X 可以通过 R s 一232 接 口配置一些受 控设备 通过 R S 一232 接 口接受其它模块传来的信 号 并通过 R S 一232 接 口向其它模块发送命令字 6 0 R S 一232 接 口采用 通用 异步 通信协 议 U A R T 通用异步收发协议是典型的面向字符的协议 常用 于设备问的低速数 据通信 与 P C 机连接 的 R s 一 232 接 口由于不需要使用对方的传送控制信号 因 此只需 3 条接 口线 即发送数 据 T X D 接 收数据 R X D 和信号地 G N D 这也是 串 口通信 常用 的接法 图 4 是 3 0luF 1 U6 一 C N 01uI l N 土 嘞 t111 2 le41醑 t旦 L fx 娃始 I旦 2 图 4 串 口通 信 模 块 图 2 2 隧道终端 L IN U X 嵌入式系统软件建立 平 台的核心软件部分 BootLoader 与 L i nux 内 核 的启 动过程 L i nux 驱动编写 L i nux 内核的配置 与编译 文 件 系统建 立 Q T E 图形界 面的移植 L i nux 系统软件逻辑 图如图 5 所示 BootLoader 是 操作系统内核运行之前运行 的一段程序 它对硬件 设备进行初始化 建立系统的内存空间映射 将系统 的软硬件环境带到一个合适 的状态 为调用操作系 统内核准备好正确的环境 B ootI oader 最终把操作 系统内核映象加 载到 R A M中 并 将系统控制权传 递给操作 系统 然后就是 L i nux 内核 的启动 这里 要进行设备初始化等重要工作 用户应用程序的启 动顺序也是在此过程 中通过启动脚本实现 开发完 驱动程序 如何将其加入到 L i nux 内核 当中而成为 L i nux 内核的一部分 这就使得对 L i nux 内核 的配 置与编译系统的分析研究具有重要 的意义 有了对 这些部分的分析 了解 对于开发应用程序 驱动以及 对硬件 的操作等具有非常大的帮助 2 2 1 系统驱动程序编写 本系统由 6 个 自定义按键组成 对应 的端 口分 别 为 G PG 3 G P F0 G P G l l G PF 2 G PF 6 G PF5 1 使用 regi ster c hrdev 函数注册键盘驱动 模块 定义键盘设备 的抽象层文件操作模块的数据 鼻 鹏 旺 旺 螂嘞 耻 舡 舯 2 3 4 5 6 7 8 9 D 卫B 6 b 仃8 卫丑卫西 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 刘 剑 等 一种地 铁 隧道倾 斜检 测仪 设 计 庸 用 序 Qfl mkddeO 公 共 阵匝 数 编 译 移 植 裳平 台 的编 立鹌 文 什 系 统 的 砖 与 移 植 Li 眦 x内 棱 配 编 译 与 侈 A 底 层 外 设 驱 动 序 Bo l I der I导 程 f 移 捕 7 系 统 硬 台 图 5 I i nux 系统软件逻辑 图及 平台构 建过程图 结构 提供给用户程序对键 盘输人进行读取 该结 构定义如下 stati c struc t fi l e operati ons buttons fops 一 o w ner T H IS M 0 D U I E read b utto ns read 2 键盘输 入端 口的硬件初始 化 将键盘 中断 处理函数注册到系统 在设计过程 中定义了一个数 据结构 key i nfo 分别对应 6 根 中断输人线的 6 个 G PIO 端 VI 这 6 个 G P IO 端 口被配 置为 中断输 入 线 2 2 2系统倾斜数据采集软件设计 数 据 采 集 存 储 模 块 通 过 U SB 接 口控 制 D G K 60OO A 传感器采集数据 把数据保存在存储器 里供分析用 或者可以通 R S232 传送给 PC 机 数 据采集 存储模块完整的工作流程如图 6 所示 3 隧道监控仪器测试 在岩土T 程领域 测斜传感器主要用 于测量土 初始化数据采集传感器AD 7707 1 N 接收到采集数据命令 Y D GK 6000A 传感器开始 采集数据 存储采集数据 T 退 出 N Y Y 程度结束 图 6 数 据 采 集 软 件 流 程 图 体运动 本 文的隧道倾斜 检测 中要 安装 一根测斜 管 将其安装在隧道钻孔 内 该 测斜管有 4 个槽 口 用于同定便携式测斜仪探头的滑轮 探头连在和读 数仪相连的电缆的一端 用于观测与测斜管相关联 的竖直 或水平 倾斜 量 并以这种方式测量 由土体 运动所引起的任何倾斜量的变化 为了获得安装 了 测斜管 的土体周 同一个全面 的观测报告 必须沿测 斜管进行一系列倾斜测量 本文测斜传感器探头有 两组滑轮 距离相隔 0 5m 将探头放到测斜管底部 并开始读数 探 头每提升 0 5m 进行读 数 直到到 达测斜管的顶部 这组读数被称为 A 读数 正测 把探头从套管 中取 出 旋转 180 重新放人 测斜管 中 方法同上 又可得到另一 组数据 A 一 读 数 反 测 数据处理时 将上述两组读数 A A 一 相结 合 用一组数据减去另一组数据 以此来消除倾角 传感器零飘的影响 测斜仪探头在竖直位置时读数 产生零飘偏差 理想的偏差应是零 而实际上在使用 探头时 由于传感器的偏差 滑轮的磨 损 或者因下 落以及和测斜管底部相碰太厉害对传感器 的冲击所 导致有一零飘 下次的测斜 管观测数据 当与原始 的观测数据相比较时 就可知测斜 管的倾斜量变化 和这些变化所引起 的位置变化 倾斜量变化分析是 通过计算上部滑轮相对于下部滑轮组所产生的倾角 e 与观测读数 间距 I 的水平偏 移 在测斜仪各 位置处 两组读数 A A 一 相 减就可得 出 Si n0 把这个值乘 以读数 间距 I 和相应 的系数 就得到 一 个 以工程单位 Ii l m 输m 的水平偏移 在系统安 装完成后 进行 了现场 的性 能测试 6 1 一 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 公路隧道 2011 年第 l 期 总第 73 期 全面验证系统的各项功能是否满足设计和现场应用 的要求 表 1 为 PC 机收集的现场采集数据列表 表 1现场采集的数据列表 6 2 4 结语 应某工程需要 开发了一种基于嵌人式系统的 地铁 隧道倾斜检测系统 详 细设计 了该系统数据采 集终端 嵌入式系统终端及 系统传输通信等部分 设计 了隧道倾斜数据采集软件 通过对采集 的数据 进行计算 即可以得出隧道倾斜的状况 参考文献 1 2 3 4 5 卢 良鑫 上海 地 铁隧 道 倾斜 检 测 系统 的设 计 与实 现 D 大连 大连理工大学硕士学位论文 2007 王铁生 张利