隧道安全監測系統的技術實現方案，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、整體力學形態變化和穩定狀態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節，是判斷圍巖穩定性和指導施工的重要依據。對隧道圍巖變形進行及時的監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控、成本高等。我們基于FPGA構造了隧道安全監控系統具有高精度、自動化、網絡化等優勢，該系統能用于隧道施工安全、防止事故發生。

二、需求分析

2.1 功能要求

系統需要實施監控鐵路隧道施工安全情況，如圖1系統架構，我們將半導體激光器架設在穩定地圍巖上，作為參考基準點。需要觀察的不穩定圍巖出架設我們設計的系統，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 系統架構

2.2 性能要求

系統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采集到的數據，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采集到的兩組數據

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

系統硬件結構如圖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的USB CCD采集卡，所以采用開發板上的USB Host模塊，將CCD采集到的數據傳輸到RAM中。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。經過處理后數據由板上的四位數碼管顯示，并通過以太網傳輸到監控中心。

圖3 系統硬件結構框圖

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，數碼管，以太網，按鍵，LED等。