基于GM8125的鐵路地質災害監測系統的研究

錢 鵬，林建輝

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

保障鐵路線路安全是鐵路安全運營的關鍵因素，近幾年由于西南地區地震等地質災害頻發，對鐵路沿線地質災害的監測成為一個熱門課題。地質災害監測是一個綜合性的監測項目，涉及到的專業包括電子、計算機、地質學等。本文針對鐵路地質災害監測系統需要實現的主要功能進行研究，對于采用何種數據采集方式、何種系統構架、何種數據傳輸方式等提出思路。

1 GM8125芯片簡介

1.1 GM8125芯片功能概述

GM8125芯片可以將一個全雙工的標準串口擴展為5個標準串口，并能通過外部引腳控制串口擴展模式（單通道工作模式和多通道工作模式），既可以指定一個子串口和母串口以相同的波特率單一的工作，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎上分頻同時工作。該芯片工作在多通道模式下時，子串口能主動響應從機發送的數據，并由母串口發送給主機，同時返回子串口地址。該模式使得每個從機的發送要求都能被及時的響應，即使所有從機同時有發送要求，數據也不會丟失，實現了主控單元和外設通信的實時性。該芯片母串口和子串口工作波特率可以由軟件調節，而不需要修改外部電路和晶振頻率。

1.2 GM8125芯片的特點

（1）采用寫控制字的方式對芯片進行控制。

（2）各串口的波特率可調。

（3）數據格式10位或者11位可選。

圖1 GM8125引腳圖

（4）單通道模式下，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）子串口數5個。

（6）與標準串口通信格式兼容，TTL電平輸出。

（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分頻。

GM8125引腳見圖1。

1.3 GM8125芯片的應用難點

該芯片應用的難點在于：多通道模式下，完成命令字的設置之后，必須將發送地址線置為非全0的值后，設置才生效。由于從發送地址線置為非全0值到設置更新還有一定的延時，如果程序是在寫完命令字后發送地址線的全0狀態一直保持到需要發送數據時才將地址線修改，修改地址線狀態后立即向芯片發送數據，將有可能出現第一個字節錯誤的情況，所以在設置完地址線后給予幾十微秒的延時，以保證芯片有足夠的時間完成設置更新操作。或者可以在設置完命令字后立即修改發送地址線為非全0狀態，使新設置在芯片通訊之前完成生效。

2 對于鐵路地質災害監測系統的研究

2.1 國內外研究現狀

地質災害對鐵路行車安全危害巨大，控制災害的重要途徑是對其產生的早期過程作實時監測、分析和預警。許多國家如美國、英國、韓國、日本、加拿大以及德國等相繼建立了環境或生態監測系統與網絡，提高其對工程災害與自然災害的監測和預報能力。

當前，國內外鐵路對滑坡、泥石流研究較多，對山體崩塌和落石研究較少，特別是艱險山區鐵路山體崩塌監測的標準和規范還是空白，對其成因、監測、預測預警的有效方法還較少。

2.2 山體崩塌的原因

在數十年、數百年乃至上千年的歷史進程中，山體由于受到地震、雨水等自然力的作用逐漸產生了卸荷裂縫及溶蝕裂縫。在后期降雨過程中，地下水的靜水壓力、動水壓力和巖體重力共同作用，導致坡體產生剪切位移。前期，陡崖頂部或陡壁面會發生孤石滾落、表層灰巖崩脫，隨后沿小裂縫發生局部小型崩塌，最后沿貫通大裂縫發生陡崖大面積崩塌。

2.3 鐵路地質災害監測系統的基本構架

2.3.1 全站儀位移采集系統

對于山體整體位置的監測可采用全站儀位移采集系統。全站儀又稱為“測量機器人”，可在孤石群和崩塌體安裝多點觀測靶標（棱鏡），通過構建參考網和觀測網對山體崩塌體的觀測點橫向和縱向位移進行全天候自動測量，實現數據的自動采集和智能分析。全站儀采用ATR（automatic target recognition）目標自動識別技術。ATR部件同軸安裝在全站儀望遠鏡里，儀器發射出的激光束被棱鏡反射回望遠鏡內置CCD陣列，接收光點位置在CCD陣列上計算出來。根據計算出的偏移量來改正水平角和垂直角，控制儀器的馬達，使儀器望遠鏡中的十字絲和棱鏡中心匹配，即可自動搜索目標。ATR可實現高效測量，黑夜也能不間斷工作。全站儀可以按自定義的時間間隔自動重復觀測，目標點可多達50個。

2.3.2 裂縫位移采集系統

可采用增量式旋轉編碼器制成裂縫位移采集器，多個裂縫位移采集器使用RS485總線組成裂縫位移采集系統。增量式旋轉編碼器通過內部兩個光敏接收管轉化其角度碼盤的時序和相位關系，從而得到其角度碼盤角度位移量的增加值（正方向）或減少值（負方向），進而轉化為直線位移量的增加值和減小值。如圖2所示，A、B兩點對應兩個光敏接受管，A、B兩點間距為S2，角度碼盤的光柵間距分別為S0和S1。通過輸出波形圖可知每個運動周期的時序如表1所示。檢測A、B兩個相位脈沖的電平高低和脈沖數量就可以得出位移的大小和方向。

2.3.3 斷線報警采集系統

落石是山體崩塌的前兆，因此檢測山體落石是非常重要的一個項目?？刹捎脭嗑€報警采集系統檢測落石進行報警。當山體有落石落下將布線砸斷時，主控MCU可檢測到相應信號，發出報警。

圖2 增量式旋轉編碼器工作原理

表1 增量式旋轉編碼器時序圖

斷線報警采集系統在技術的實現上比較簡單。將單片機通用I/O口設置為輸入狀態，在程序中采用查詢的方式，不斷循環查詢各I/O口狀態，查詢到高電平時確定為斷線。而該系統的難點在于如何布線，使得線路成本降到最低。假設，布線位置到主控MCU的距離是500 m，那么每個布線回路的距離是1 km，按照3元/米的價格計算，每個布線回路的成本價格是3000元。假設有30個布線回路，成本就是9萬元。而布線回路遠不止30個，這樣工程造價相當高。

為有效降低成本，可采用分防區布線的方式。把需要布線的區域分為多個防區，每個防區配置一個單片機采集器，各單片機采集器采用RS485總線的方式連接到主控MCU，主控MCU和RS485總線通過485-232轉換電路進行轉換。從設防區域到主控MCU只需要兩根485線纜，即500 m×2=1 km，成本僅為3千元，這樣有效降低了工程造價。

2.3.4 雨量數據采集系統

降雨是造成山體裂縫加劇的重要因素。從圖3可以看出，在降雨量大的月份，裂縫位移變化率相對較大。而在降雨量少的月份，裂縫位移變化不明顯。因此，對雨量的監測是必不可少的。雨量采集設備通過RS485總線發送數據到主控MCU，主控MCU和RS485總線通過485-232轉換電路進行電平轉換。降雨量與裂縫變形位移關系見圖3。

2.3.5 GPRS數據傳輸系統

圖3 降雨量與裂縫變形位移的關系

地質災害監測的特點是：（1）周期長。從開始對有崩塌趨勢的山體進行監測到崩塌發生，這個過程將會持續幾年乃至十幾年。（2）投資大。設備費用、安裝費用、維護人員的費用等投資都比較大?？紤]到這些特點，采用GPRS的方式傳輸數據比較合理：1）永遠在線。GPRS由于使用了“分組”技術，只要用戶SIM卡處于開機狀態，就隨時與GPRS網絡保持聯系，這樣就能保證隨時發現隨時報警。2）快速傳輸。GPRS無線網絡的傳輸速率能達到56～114 kb/s，足以保證整個監測系統的數據傳輸。3）按量計費。GPRS技術是一種面向非連接的技術，用戶只有在真正收發數據時才需要保持與網絡的連接，因此大大提高了無線資源的利用率。用戶可以一直在線，按照用戶接收和發送數據包的數量來收取費用。沒有數據流量的傳遞時，用戶即使掛在網上，也是不收費的，這樣就能有效降低數據傳輸的成本費用。

采用GPRS網絡后，將主控MCU的數據遠程傳遞到上位機。上位機接入互聯網，通過GPRS接收軟件接收數據后再處理。

2.3.6 鐵路地質災害監測系統基本構架

以上所述5個子系統的數據通過子串口1-5與GM8125相連接，而主控MCU的串口與GM8125的母串口0相連接。上位機命令由子串口5通過GPRS網絡系統傳輸到主控MCU,MCU接收到上位機命令后對1-4子系統發出采集數據命令。系統構架圖見圖4。

圖4 系統構架圖

圖5 主程序流程圖

3 串口擴展芯片GM8125在鐵路地質災害監測系統中的應用

3.1 硬件連接圖

GM8125母串口TXD0、RXD0兩個引腳與主控MCU的串口相連接 ，TXD1，RXD1；TXD2，RXD2；TXD3，RXD3；TXD4，RXD4；TXD5，RXD5 分別連接（1）全站儀坐標采集系統（2）裂縫位移采集系統（3）斷線報警采集系統（4）雨量數據采集系統（5）GPRS數據傳輸系統。引腳STA0、STA1、STA2是發送地址選擇位，連接到 MCU 的 P1.4，P1.5，P1.6，引腳 SRA0、SRA1、SRA2是接收地址位，連接到MCU的P1.0、P1.1、P1.2。

3.2 主控MCU程序設計

3.2.1 主程序流程圖

在主程序中實現的功能包括：（1）有關設備的初始化工作。（2）根據上位機命令，對相關子系統進行讀寫操作。主程序流程圖見圖5。

3.2.2 串口中斷服務程序

MCU檢測到中斷標志后進入中斷服務子程序，接收上位機命令并保存，立刻退出中斷服務程序。對上位機命令的具體執行過程都在主程序中進行。

3.3 上位機軟件設計

下位機主要實現數據的采集和傳輸，而對數據的分析則需要在上位機軟件完成。在上位機軟件中實現的功能有：監測點位配置、測量數據記錄、數據分析、數據查詢、報表管理等內容。

4 結束語

鐵路地質災害監測對于保障鐵路安全運行有著非常實際的意義，實現自動跟蹤災害發展趨勢，提前預防和減少重大事故的發生，保障行車安全，具有深遠的社會效益。

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