基于GM8125的铁路地质灾害监测系统的研究

2013-07-14林建辉

中国测试 2013年2期

钱鹏，林建辉

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031）

0 引言

保障铁路线路安全是铁路安全运营的关键因素，近几年由于西南地区地震等地质灾害频发，对铁路沿线地质灾害的监测成为一个热门课题。地质灾害监测是一个综合性的监测项目，涉及到的专业包括电子、计算机、地质学等。本文针对铁路地质灾害监测系统需要实现的主要功能进行研究，对于采用何种数据采集方式、何种系统构架、何种数据传输方式等提出思路。

1 GM8125芯片简介

1.1 GM8125芯片功能概述

GM8125芯片可以将一个全双工的标准串口扩展为5个标准串口，并能通过外部引脚控制串口扩展模式（单通道工作模式和多通道工作模式），既可以指定一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。该芯片工作在多通道模式下时，子串口能主动响应从机发送的数据，并由母串口发送给主机，同时返回子串口地址。该模式使得每个从机的发送要求都能被及时的响应，即使所有从机同时有发送要求，数据也不会丢失，实现了主控单元和外设通信的实时性。该芯片母串口和子串口工作波特率可以由软件调节，而不需要修改外部电路和晶振频率。

1.2 GM8125芯片的特点

（1）采用写控制字的方式对芯片进行控制。

（2）各串口的波特率可调。

（3）数据格式10位或者11位可选。

图1 GM8125引脚图

（4）单通道模式下，最高波特率支持20Mb/s；多通道模式下，子串口最高波特率38400b/s。

（5）子串口数5个。

（6）与标准串口通信格式兼容，TTL电平输出。

（7）在多通道工作模式下，各子串口的波特率等于母串口波特率的6分频。

GM8125引脚见图1。

1.3 GM8125芯片的应用难点

该芯片应用的难点在于：多通道模式下，完成命令字的设置之后，必须将发送地址线置为非全0的值后，设置才生效。由于从发送地址线置为非全0值到设置更新还有一定的延时，如果程序是在写完命令字后发送地址线的全0状态一直保持到需要发送数据时才将地址线修改，修改地址线状态后立即向芯片发送数据，将有可能出现第一个字节错误的情况，所以在设置完地址线后给予几十微秒的延时，以保证芯片有足够的时间完成设置更新操作。或者可以在设置完命令字后立即修改发送地址线为非全0状态，使新设置在芯片通讯之前完成生效。

2 对于铁路地质灾害监测系统的研究

2.1 国内外研究现状

地质灾害对铁路行车安全危害巨大，控制灾害的重要途径是对其产生的早期过程作实时监测、分析和预警。许多国家如美国、英国、韩国、日本、加拿大以及德国等相继建立了环境或生态监测系统与网络，提高其对工程灾害与自然灾害的监测和预报能力。

当前，国内外铁路对滑坡、泥石流研究较多，对山体崩塌和落石研究较少，特别是艰险山区铁路山体崩塌监测的标准和规范还是空白，对其成因、监测、预测预警的有效方法还较少。

2.2 山体崩塌的原因

在数十年、数百年乃至上千年的历史进程中，山体由于受到地震、雨水等自然力的作用逐渐产生了卸荷裂缝及溶蚀裂缝。在后期降雨过程中，地下水的静水压力、动水压力和岩体重力共同作用，导致坡体产生剪切位移。前期，陡崖顶部或陡壁面会发生孤石滚落、表层灰岩崩脱，随后沿小裂缝发生局部小型崩塌，最后沿贯通大裂缝发生陡崖大面积崩塌。

2.3 铁路地质灾害监测系统的基本构架

2.3.1 全站仪位移采集系统

对于山体整体位置的监测可采用全站仪位移采集系统。全站仪又称为“测量机器人”，可在孤石群和崩塌体安装多点观测靶标（棱镜），通过构建参考网和观测网对山体崩塌体的观测点横向和纵向位移进行全天候自动测量，实现数据的自动采集和智能分析。全站仪采用ATR（automatic target recognition）目标自动识别技术。ATR部件同轴安装在全站仪望远镜里，仪器发射出的激光束被棱镜反射回望远镜内置CCD阵列，接收光点位置在CCD阵列上计算出来。根据计算出的偏移量来改正水平角和垂直角，控制仪器的马达，使仪器望远镜中的十字丝和棱镜中心匹配，即可自动搜索目标。ATR可实现高效测量，黑夜也能不间断工作。全站仪可以按自定义的时间间隔自动重复观测，目标点可多达50个。

2.3.2 裂缝位移采集系统

可采用增量式旋转编码器制成裂缝位移采集器，多个裂缝位移采集器使用RS485总线组成裂缝位移采集系统。增量式旋转编码器通过内部两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位关系，从而得到其角度码盘角度位移量的增加值（正方向）或减少值（负方向），进而转化为直线位移量的增加值和减小值。如图2所示，A、B两点对应两个光敏接受管，A、B两点间距为S2，角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。通过输出波形图可知每个运动周期的时序如表1所示。检测A、B两个相位脉冲的电平高低和脉冲数量就可以得出位移的大小和方向。

2.3.3 断线报警采集系统

落石是山体崩塌的前兆，因此检测山体落石是非常重要的一个项目。可采用断线报警采集系统检测落石进行报警。当山体有落石落下将布线砸断时，主控MCU可检测到相应信号，发出报警。

图2 增量式旋转编码器工作原理

表1 增量式旋转编码器时序图

断线报警采集系统在技术的实现上比较简单。将单片机通用I/O口设置为输入状态，在程序中采用查询的方式，不断循环查询各I/O口状态，查询到高电平时确定为断线。而该系统的难点在于如何布线，使得线路成本降到最低。假设，布线位置到主控MCU的距离是500 m，那么每个布线回路的距离是1 km，按照3元/米的价格计算，每个布线回路的成本价格是3000元。假设有30个布线回路，成本就是9万元。而布线回路远不止30个，这样工程造价相当高。

为有效降低成本，可采用分防区布线的方式。把需要布线的区域分为多个防区，每个防区配置一个单片机采集器，各单片机采集器采用RS485总线的方式连接到主控MCU，主控MCU和RS485总线通过485-232转换电路进行转换。从设防区域到主控MCU只需要两根485线缆，即500 m×2=1 km，成本仅为3千元，这样有效降低了工程造价。

2.3.4 雨量数据采集系统

降雨是造成山体裂缝加剧的重要因素。从图3可以看出，在降雨量大的月份，裂缝位移变化率相对较大。而在降雨量少的月份，裂缝位移变化不明显。因此，对雨量的监测是必不可少的。雨量采集设备通过RS485总线发送数据到主控MCU，主控MCU和RS485总线通过485-232转换电路进行电平转换。降雨量与裂缝变形位移关系见图3。

2.3.5 GPRS数据传输系统

图3 降雨量与裂缝变形位移的关系

地质灾害监测的特点是：（1）周期长。从开始对有崩塌趋势的山体进行监测到崩塌发生，这个过程将会持续几年乃至十几年。（2）投资大。设备费用、安装费用、维护人员的费用等投资都比较大。考虑到这些特点，采用GPRS的方式传输数据比较合理：1）永远在线。GPRS由于使用了“分组”技术，只要用户SIM卡处于开机状态，就随时与GPRS网络保持联系，这样就能保证随时发现随时报警。2）快速传输。GPRS无线网络的传输速率能达到56～114 kb/s，足以保证整个监测系统的数据传输。3）按量计费。GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率。用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上，也是不收费的，这样就能有效降低数据传输的成本费用。

采用GPRS网络后，将主控MCU的数据远程传递到上位机。上位机接入互联网，通过GPRS接收软件接收数据后再处理。

2.3.6 铁路地质灾害监测系统基本构架

以上所述5个子系统的数据通过子串口1-5与GM8125相连接，而主控MCU的串口与GM8125的母串口0相连接。上位机命令由子串口5通过GPRS网络系统传输到主控MCU,MCU接收到上位机命令后对1-4子系统发出采集数据命令。系统构架图见图4。

图4 系统构架图

图5 主程序流程图

3 串口扩展芯片GM8125在铁路地质灾害监测系统中的应用

3.1 硬件连接图

GM8125母串口TXD0、RXD0两个引脚与主控MCU的串口相连接，TXD1，RXD1；TXD2，RXD2；TXD3，RXD3；TXD4，RXD4；TXD5，RXD5 分别连接（1）全站仪坐标采集系统（2）裂缝位移采集系统（3）断线报警采集系统（4）雨量数据采集系统（5）GPRS数据传输系统。引脚STA0、STA1、STA2是发送地址选择位，连接到 MCU 的 P1.4，P1.5，P1.6，引脚 SRA0、SRA1、SRA2是接收地址位，连接到MCU的P1.0、P1.1、P1.2。