计算机前端编程范文

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中图分类号：TM57 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0020-02

1 引言

智能摄像机前端控制器是通过接受智能摄像机的通信指令，利用单片机技术实现前端补光灯的控制。智能摄像机前端控制器的应用，避免了重复修改智能摄像机FLASH中的参数控制补光灯，有效地增加了摄像机的使用寿命，大大提高了前端设备的可控性能。在铁路系统中，设备监控系统将铁路设备的运行情况、车号识别、货检预检、受电弓接触网等的运行状态实时图像及智能设备的报警信息传输到监控中心，监控人员可通过实时图像和运动信息对车辆运行情况进行综合分析处理。常用的智能摄像机通常具有I/O控制接口，这些接口可以实现对前端补光、抓图以及云台等相关控制功能，但目前智能摄像机对I/O的控制只能通过修改FLASH中参数来实现，而FLASH的修改是有次数限制的，一般为10万次左右，因此对于频繁控制前端设备的应用场合，采用这种控制方式必然会影响摄像机的使用寿命，基于这种情况有必要研制一种既保证前端设备的可靠控制又不影响摄像机寿命的智能摄像机前端控制器。

2 智能摄像机前端控制器设计

智能摄像机的控制方式是造成对FLASH频繁擦写的主要原因，但什么时候打开摄像机的录像功能，使其与补光灯实现同步，需要研制一个控制器来实现这个功能。设计的控制方式如图1。

当有车辆来时，磁钢送信号到监控主机，监控主机与摄像机通过网线进行数据、视频、指令的传输.打开摄像机给前端摄像机的脉冲信号，这时摄像机的信号给前端控制器，前端控制器通过单片机的输出控制光耦合器来控制补光灯的开关，补光灯的频率来自摄像机，摄像机这样就实现了不用频繁修改FLASH，又能达到摄像机和补光灯同步的目的。

3 智能摄像机前端控制器的结构组成及各部分功能

3.1 系统工作原理描述

3.2 系统功能模块设计

3.2.1 单片机部分

单片机是把微型计算机的主要功能部件集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程。学习单片机就要学会软件编程，有汇编语言，C语言等。前端摄像机的控制器采用C8051F320单片机，主要是控制电路板的通讯、光耦合器的开光等功能。

3.2.2 电源部分

电源转换模块主要功能是给单片机部分以及各个控制芯片供电，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、微处理器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟负载提供供电。而本控制器采用摄像机的12V电压，经过三端稳压电路转换成3.3V给单片机及其它芯片供电。

3.2.3 开关部分

开关部分的主要功能是执行单片机发出的控制信号，实际上是执行机构。它是采用信号芯片实现控制接通和断开。前端控制器的开关部分是光耦合器，它接受输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，起到输入、输出、隔离的作用，由于信号的单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，因此其具有抗干扰能力强，工作稳定，使用寿命长，传输效率高等优点。

4 智能摄像机控制器的硬件设计

4.1 CPU的选择

4.2 ADM3232E收发器

4.3 电源转换模块

前端控制器在工作时，需要由外界电源给单片机部分以及各个控制芯片供电。为方便起见，外界电源由智能摄像机12V供电，由于C8O51F320、ADM3232E收发器以及各个芯片所需电压为3.3V，因此需要进行电压转换。LM7805把来自摄像机的12V电源转成5V，LM117进一步把5V转为3.3V，采用分段式降压的主要目的是降低稳压电路的热损耗，提高电源供电的稳定性。

4.4 其智能摄像机前端控制器的硬件电路图如图3所示。

5 摄像机前端控制器的软件设计

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前言：近年来，广播已经成为了人们信息获取和娱乐的重要媒介，然而，受到互联网等因素的影响，传统模拟广播已经难以满足现代人们的需求，在很大程度上影响广播进一步发展。数字音频广播以其随时、随地的优势，得到了广泛推广和普及。为了提高数字音频广播质量，加强对其接收机前端设计的研究具有现实意义。

一、数字音频广播概念及前端接收机结构

（一）概念

数字音频广播实际上是调幅广播和调频广播之后的第三代广播，主要是将计算机等技术作为基础，利用数字化处理方式实现广播目标和任务。数字音频广播具有真实、噪声小等优势，能够为用户带来全新的听觉体验[1]。

（二）结构

数字音频广播前端接收机结构主要包括以下三种：

首先，高中频超外差。高中频超外差结构是一种应用范围比较广泛的结构，能够获得大而稳定的增益和良好的频率选择，但是，其中频滤波器多使用陶瓷等材质，使得难以在芯片上集成，同时还存在镜频干扰的状况，难以确保质量。

其次，零中频。零中频概念提出较早，但是发展较慢，甚至出现了停止发展的情况。在发展的过程中，零中频在很大程度上解决了高中频的弊端，但是又出现了新的问题，混频器与放大器之间的隔离效果不尽人意，且易出现干扰，相对来讲不适合在数字音频广播接收机中应用。

最后，低中频。低中频介于前两者中间，解决了零中频的问题，有具有较高的集成度，但是其镜频抑制能力较差。

综上所述，在选择接收机前端过程中，要综合考虑实际情况，选择合理的结构。

二、数字音频广播接收机前端设计分析

（一）DAB设计

DAB接收机前端主要采用U2731B专用芯片，并围绕着该芯片进行电路等内容的设计。在接收机前端设计之前要确定设计方案。将天线接收的射频信号转变到中频，并将中心频率设置到标准值；另外，还需要扩大微弱信号，为了确保A/D变换器稳定运行，要保障AGC输出信号稳定，最后，要完成本振频率的AFC，通过三个环节确定设计方案，为下个环节工作奠定基础。

U2732B作为专用芯片，具有射频前端的主要功能，并由多个模块构成，例如：增益可控射频混频器、中频混频器等，本文主要采用二次变频方案，分别设置两个频率，由于该芯片具有良好的自动增益控制性能，而且电路所有控制参数都由总线接口输入进去，可以人为设置信号幅度、灵敏度等，并经由外部中频带通滤波器滤波，将其作为前端电路输出[2]。

基于此种芯片下电路设计的射频和中频滤波器设计，受到输出信号幅度较大等因素的影响，本文采用电感、电容等无源器件进行设计。首先，对前端射频信号进行滤波处理，抑制镜像频率信号对接收效果的影响，提高广播质量。其次，中频主要通过第一、第二两个滤波器进行处理；最后，受到前端与基带相互独立的影响，需要将控制信号通过总线向芯片写入，以此来达到控制信号的目的。

通过对接收机进行实验发现，接收机符合标准，且性能、指标等良好，可以广泛使用。

（二）DRM可编程设计

目前，DRM已经成为了广播领域研究热点，由于数字信号处理器运算速度日渐提升，使得通信系统逐渐渗透其中，通信系统发射机将成为未来发展趋势。数字化无线电接收机具有性能优良、智能化处理等特点，且在一定程度上简化了接收机前端设计，通过对转化后的中频信号进行数字化，并进行编程变频器完成到基带，以此来降低码率输出。

由于存在多种数字音频广播体制，例如：DAB、DRM等，由此，可以设计出多体兼容可行方案。另外，模拟广播接收机将AM和FM两个频段接收机有机结合，而后，由于AM和DRM自身具有多模式等特征，将软件无线电融入其中，便能够设计出可编程数字下变频器。

DAB信号的射频载波频率范围是170MHz～230MHz，信号带宽1.536MHz，需要完成的功能包括将射频型号转变为中频信号、将微弱信号进行放大、完成本振频率AFC等。DRM接收机主要由前端模拟电路、模数转换电路等部分构成，而电路则由前端模拟电路、A/D变换电路和PDC电路组成，通过实际应用，这种模式能够实现兼容模拟广播和DAB、DRM数字广播的接收机前端，能够更好地提高广播质量，从而丰富人们的生活。就目前来看，广播主要采用模拟和数字广播并存的形式，吸取二者的精华，且越来越重视兼容的研究，主要是为了实现频率、宽带等之间的融合，为新技术能够推广奠定基础，从而提高广播质量，为研制符合我国标准的数字广播电视设备奠定了坚实的基础[3]。

（三）多制式兼容接收机设计

当前，世界广播发展的状况是模拟与数字广播并存，多种数字广播制式并存，同时这种状况在短时间内难以改变。因此，在对数字广播接收机进行设计的过程中应该对兼容多种体制的问题进行充分考虑。不同的数字广播体制中采用的激素都类似，例如在DAB与DRM中都采用的是OFDM调制，这些都为设计兼容不同标准的数字广播接收机奠定了一定的基础。不同的标准采用的频率、带宽等都存在一定的差异，导致其前端处理模块也不相同，在设计的过程中重视多制式兼容接收机的设计具有非常重要的现实意义。前文已经给出了DAB与DRM接收机前端的设计内容，将其作为多制式兼容接收机设计的基础。通过多制式兼容接收机中的模拟电路对DAB与DRM进行了整合；AD变换器一方面能够满足DRM前端采样率的要求，另一方面能够适应DAB前端4倍中频数字下变频算法；PDC 模块为 DRM 接收机相应模块增加 DAB 接收机数字正交解调的部分。

结论：根据上文所述，数字音频广播作为我国广播电视的重要组成部分，在社会主义精神文明建设等方面占据不可替代的位置。面对现代技术发展新形势，需要更好地进行接收机前端设计，促进广播质量的提高。本文主要从DRM和DAB两种模式入手，对二者接收效果进行分析，从而为我国广播事业可持续、健康发展提供支持。（作者单位：贵州工程应用技术学院）

参考文献：

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1 引言

PLC是面向工矿企业的工控设备。它具有梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门；使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低；此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

煤矿翻车机的作用是完成升井的矸石的翻车排放，翻车机是矿井生产系统的重要组成部分之一，翻车机系统运行是否正常运行，直接关系着矿井的正常生产。采用PLC编程控制器的翻车机系统是目前国内先进的翻车控制系统。采用PLC为做为控制系统具有使用维护简单、故障率低、性能稳定、智能逻辑闭锁、不发生误动作等优点。采用PLC编程控制器的翻车机自动控制系统是目前矿井矸石山翻车机自动化改造的首选。

2 工程概况

矿矸石山翻车机改造前的系统为：动力源是电机，经过减速机减速，减速机的输出端通过联轴器带动传动轴，传动轴上的轮与翻罐笼的滚圈通过摩擦带动翻车机运转。车辆通过架线机车运至指定位置，采用11.4KW绞车向翻罐笼牵引填车。

矿矸石山翻车机改造后的系统为：动力源为液压，通过液压马达带动传动轴运转，传动轴上的轮与翻罐笼的滚圈通过摩擦带动翻车机运转。。后部安装两部推车机：板链式推车机、钢丝绳式调车机，中部（调车机前端）增加安装阻车器一台。

3 三菱FX2N可编程控制器

低压控制系统主要三菱FX2N可编程控制器、可控变压器、中间继电器、交流接触器、开关电源等主要部件。该三菱FX2N可编程控制器接线，其内部编程梯形图有100多步实现电路核心控制，其他只需在图1的输入、输出端接线即可。其中：X表示输入、Y表示输出，FX2N-48MR可编程控制器输入、输出总点数为48，其中输入、输出点数各为24点。L、N是PLC外部所供电源的接线端子，为PLC提供运行的外部电源，适用电源AC110～240V，宽度比较大。严禁将AC电源直接接到输入和输出的接线端子上，否者会烧坏PLC控制器。+24V、COM是开关电源（AC/DC换流器整流出DC24V的安全电源）为PLC控制器内部供电，可用于扩展模块、外部传感器的电源供给。

4 工作原理

⑴手动、点动（输入点x0、x1）

手动是按运行编写的PLC梯形图扫描运行，各种程序有安全制约、相互闭锁，前面的不到位，后面的无法执行。例如：阻车器放（x24），操作正向推车（x2）就无效。

点动就是甩开PLC，运行设备，一般在检修、紧急状况下使用。在该状态下，翻车系统没有安全制约、相互闭锁。

⑵逻辑闭锁

下面用PLC梯形图简要介绍正向翻车。

通过第10步可以看出要想实现手动正向翻车必须满足：按下“手动”，不得按下“系统急停”，同时需要“阻车器关”，它们之间存在相互闭锁关系。

图2中字母含义：X内部输入继电器、Y内部输出继电器、M表示中间继电器、T表示时间继电器、C表示计数器等。梯形图中都有汉字的软元件注释，便于初学者理解。梯形图中使用的各个输入继电器、输出继电器、中间继电器等可以任意无限次使用，这是硬件接线所无法比拟的。

5 翻车机自动控制系统工作流程：

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中图分类号：TP336 文献标识码：B 文章编号：1004－373X(2009)04－062－03

Design of Automatic Wire－stripping Control Panel

LIANG Junying,HUANG Binglian,LUO Xiaoshu,CHEN Chi,LIU Jian,LIAO Zhixian,CHEN Donglian

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract：Simple operation and friendly interface control panel usually makes people handle the equipment work easier and more convenient.The paper uses the technology of single chip computer and optimized programming,the PLC communications hardware interface circuits and the method of interface software programming as well as the corresponding technical details of the matrix button and ATmega32 circuit are analysed and discussed,and control panel design and production are completed.Testing shows that the control panel is well－functioning in the prototype,and has made obvious effectiveness in application.It can be used in industrial equipment,operating platforms,industrial display systems and digital instrumentation,and other fields.

Keywords：control panel;ATmega32;SSC2AC40;PLC

自动裁线剥皮扭线机以可编程控制器PLC为控制系统，其控制面板主要由矩阵键盘、ATmega32单片机、SSC2AC40液晶屏等组成。控制面板实现对设备相关规格数据设定，使设备按照人工干预信息完成工作任务，显示模块显示相关信息，实现人机交互。单片机以其低成本、使用灵活、高性能的特点广泛应用于工业设备，而液晶显示屏更以其显示直观、便于操作的特点被应用于显示前端。

1 控制面板硬件电路设计

图1为控制面板硬件电路图。单片机ATmega32识别每个键动作，将矩阵按键的每个键动作编成码(0x01～0x90)，并将编码信息输给PLC。由于编码信息为0 V，5 V，而PLC能识别的电平信号为0 V，24 V，所以用OC门7407芯片将编码信息(0 V，5 V)转换为PLC能识别的信号(0 V，24 V)，PLC读取编码信息，执行剥皮、扭线、裁线等相关动作，并将自动裁线剥皮扭线机工作状态信息(0000～1111，每个编码对应一种工作状态信息)上传到ATmega32。根据PLC输出口内部电路结构的特点如图2所示［1］，PLC输出口是集电极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出，否则 ATmega32无法检测到PLC输出口信息(高、低电平)的变化情况。SSC2AC40液晶在ATmega32控制下显示编码控制电路上的人工干预信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等，完成人机交互工作。

1.1 ATmega32单片机

ATmega32是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，以Atmel公司的高密度非易失性存储器技术生成,支持片内调试与编程,内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，1条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器，因此大大提高了指令操作码效率，其数据吞吐率大约是普通CISC微控制器的10倍。8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在1个芯片内，使得ATmega32成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案［3］。

作为通用数字I/O 使用时，所有AVR I/O 端口都具有真正的读－修改－写功能。每个端口都有3个I/O存储器地址(数据寄存器PORTx、 数据方向寄存器DDRx 和端口输入引脚PINx)［4］。PA口定义为输出，DDRA=0xff，将指令信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等输送到SSC2AC40液晶显示屏数据口DB0~DB7，PB口定义为输入，DDRB=0x00，读取矩阵键盘动态信息。 PC口高3位设为输出，分别接SSC2AC40液晶显示屏的RS，R/W，E，输出正确的时序，使液晶屏有效显示相关信息。

#define Lcdssc2a40_RS OC5

#define Lcdssc2a40_RW OC6

#define Lcdssc2a40_E OC7

#define Lcdssc2a40_RS_R RC5

#define Lcdssc2a40_RW_R RC6

#define Lcdssc2a40_E_R RC7

Lcdssc2a40_RS_R=1;/*PC5设为输出*/

Lcdssc2a40_RW_R=1;/*PC6设为输出*/

Lcdssc2a40_E_R=1;/*PC7设为输出*/

PD口的PD0～PD2设为输入，DDRD=DDRD&0x07，接收PLC上传的自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等。PD口的PD3～PD6设为输出，DDRD=DDRD&0x78，将矩阵键盘编码信息发送给PLC。

掉电后有关数据信息保存在ATmega32内部的1 024 B E2PROM，下次再工作时，无需再另行输入，直接调出原来的数据即可，大大节省调机时间。ATmega32内部的1 024 B E2PROM数据存储器是一个独立的数据空间，可以按字节读写，访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定，至少能擦除100 000次［4］。

avr－libc 对E2PROM 存储器读写API 定义在eeprom.h中［5］，包含形式如下：

#include

例如要保存前端剥皮设定好的参数q1：

eeprom_busy_wait();/*等待E2PROM 读写就绪*/

eeprom_write_byte(0,q1);/*将q1写入到E2PORM 0地址处*/

开机后，读出关机前前端设定好的“剥皮”参数q1：

eeprom_busy_wait();

q1=eeprom_read_byte(0);/*从E2PROM 0 地址处读取1个字节赋给RAM 变量q1*/

这样就可以实现掉电后设定好的相关参数得以保存，开机后显示关机前设定的参数。

1.2 SSC2AC40液晶显示器

SSC2AC40是40×2字符点阵式液晶显示器，逻辑工作电压4.5～5.5 V，驱动电压3.0～5.0 V，工作电流(背光除外)2.5 mA，常温下工作温度0～50 ℃/宽温下工作温度-20～+70 ℃，典型的16脚接口、带有LED边光/底光，温度范围较广，属宽温型，具有工作电压低，微功耗，显示信息量大和接口方便应用等优点。现在已被广泛应用于工业控制面板显示和数字式仪表等领域，成为测试结果显示和人机交互的重要工具［11］。

SSC2AC40数据口DB0~DB7接ATmega32的PA口，并行接收ATmega32发送的相关数据信息，RS，R/W，E分别接ATmega32的PC5～PC7，得到正确的时序，实时显示有效信息，实现人机交互。

2 软件设计

图3为控制面板程序流程图。开机后显示上一次关机前的信息，ATmega32读取矩阵键盘，判断键动作信息，执行相关参数设定；设定无误，按开始键，剥线机执行进行剥皮、扭线、裁线等工作；工作过程中PLC将信息上传给ATmega32 ，通过SSC2AC40显示。

编程语言以C为主，利用系统体积小，简单易学，语法着色，多文档，错误跟踪好，界面友好的GCC的AVR C/C++编译器和广州天河双龙电子有限公司的下载器SLISP作为开发工具，进行代码生成、软件测试和维护，开发一个操作方便、简单易用、稳定可靠且易于修改扩充的软件系统。经反复调试优化，程序在样机的使用中运行良好，显示稳定可靠，满足系统要求。程序稍作修改便可移植到其他类型的单片机，有利于产品硬件更换，缩短产品开发周期。

3 调 试

(1) ATmega32 JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI分别对应PC口的PC3～PC5；而在该

设计中没有用到JTAG 接口，所以配置熔丝时要禁止使用JTAG 接口功能，以免JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI与PC3～PC5冲突。

(2) 由于使用机械开关按键，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。为保证对键动作的准确识别，采用软件延时缓冲按键动作时的抖动，待信号稳定后再进行键扫描，延迟时间大于10～20 ms即可［6］。

(3) 液晶显示屏置于控制面板上，工作环境的电磁干扰对显示屏的工作有一定的影响，故该系统采取的主要抗干扰措施如下：设计LCD模块的接口时，在VSS和VDD之间接入0.1 μF的去耦电容，并接入10 μF或20 μF的电源滤波电容，提高电源输入的稳定性。LCD模块的工作电流仅为几毫安，但其背光部分所需要的电流远大于其工作电流，因此需将工作电源和背光电源分别布线［12］。 为避免其他可能的干扰源对液晶显示过程的影响，采用软件定时复位液晶屏，屏蔽异常显示［12］。

(4) 在编码信息与PLC之间的电平转换电路中，PLC的电源与7407输出端的上拉电源一定要共负极。否则由于参考电压不同，PLC输入端获取的电平不正常，无法有效识别编码信息。

4 结 语

该文研制的控制面板电路简洁实用，编程灵活，成本低，抗干扰能力强，性能可靠，在反复测试中矩阵键盘工作正常；液晶屏有效屏蔽干扰源，显示稳定可靠，完成人机交互工作，适合用户需求，具有广泛的应用前景，对其他工业设备操作面板的研制有一定的参考价值。

参 考 文 献

［1］Cleaveland P.Programmable Controllers Adapt to New Industry Needs［J］.Control Solutions,2001.

［2］孙治国,成晓明,裘智峰.PLC与单片机串行通信的应用［J］.计算机控制与自动化,2003,22(2):190－191.

［3］李长林.AVR单片机应用设计［M］.北京:电子工业出版社,2005.

［4］耿德根.AVR高速嵌入式单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2001.

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［6］李广弟.单片机基础［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

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［8］赫建国,郑燕,薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用［M］.北京:清华大学出版社,2006.

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［11］王宇.SSC2AC40液晶屏原理与应用［EB/OL］.,2004.

［12］李维,郭强.液晶显示应用技术［M］.北京:电子工业出版社,2000.

［13］郭燕,李焕信.一种液晶显示系统的单片机接口设计［J］.陕西天文台台刊,1997(20):55－59.

作者简介

梁俊英 男，1981年出生，广西武鸣人，硕士研究生。研究方向为微机控制与检测技术等。

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Abstract：Basedonthesampleofsingle-circleTBMmadeinGermanyVMTCo.,thecomponentsofTBMandtheLaserNavigationSystemaredescribed,andtheprinciplesoftheAutomaticLaserNavigationSystem,especiallyintermsofSurveyingScience,arediscussed.Finally,themeasurestoimprovethesurveyingprecisionoftheNavigationSystemaresummarized.

Keywords:tunnelconstruction;TBM;Metro;controlsurvey;navigationsystem;positioning;correctioncurve

0引言：

20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题，解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通；有助于国产盾构机研制工作的开展。

1盾构机和激光导向系统的组成

1.1盾构机的组成

盾构机按推力方式可分为网格式、压气式、插板式以及土压式和水压式；按形状划分，除典型的矩形、单圆筒形外，近年来又出现了双圆、三圆及多圆等异构形。它们的组成有一定差异。其中，土压式单圆盾构机在我国应用比较普遍。它主要由盾体（含刀盘等）、管片拼装机、排土机构、后配套设备、电气设备、数据采集系统、SLS-T激光导向系统及其他辅助设备组成。

1.2激光导向系统的组成

激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技术指导盾构隧道施工的有机体系。其组成(见图1：激光全站仪（激光发射源和角度、距离及坐标量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置）；激光接收靶（ELSTarget，内置光栅和两把竖向测角仪）、棱镜（ELSPrism）和定向点（ReferenceTarget）；盾构机主控室（TBMControlCabin）：由程控计算机（预装隧道掘进软件，具有显示和操作面板）、控制盒、网络传输Modem和可编程逻辑控制器（PLC）四部分组成；油缸杆伸长量测量（ExtensionMeasurement）装置等。其中，隧道掘进软件是盾构机激光导向系统的核心。

2激光导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用

地铁盾构法施工过程如图3所示。在隧道掘进模式下，激光导向系统是实时动态监测和调整盾构机的掘进状态，保持盾构机沿设计隧道轴线前进的工具之一。在整个盾构施工过程中，激光导向系统起着极其重要的作用：

(1)在显示面板上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，报告掘进状态（见图2）；并在一定模式下，自动调整或指导操作者人工调整盾构机掘进的姿态，使盾构机沿接近隧道设计轴线掘进。

(2)获取各环掘进姿态及最前端已装环片状态，指导环片安装。

(3)通过标准的隧道设计几何元素自动计算隧道的理论轴线坐标。

(4)和地面电脑相连，对盾构机的掘进姿态进行远程实时监控。

从盾构施工基本过程（图3）可以看出，激光导向系统不能够独立完成导向任务，在盾构机始发、该系统启用之前，还需要做一些辅助工作：首先，激光全站仪首次设站点及其定向点坐标，需用人工测定。其次必须使用人工测量的方法，对盾构机姿态初值进行精确测定，以便于对激光导向系统中有关初始参数（如激光标靶上棱镜的坐标，内部的光栅初始位置及两竖角测量仪初值等）进行配置。

盾构机姿态是指盾构机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。盾构机姿态除了可以通过人工测量、单独解算方式获得外，还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得盾构机姿态的过程，被称作“盾构机控制测量”。盾构机控制测量的另一个作用是：在盾构机掘进过程的间隙，对激光导向系统采集的盾构机姿态参数进行检核，对激光导向系统中有关配置参数进行校正。

3盾构机激光导向系统原理：

3.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系

为了阐明激光导向系统的原理，首先介绍一些与盾构机及隧道有关的坐标系（见图4）：

(1)地面直角坐标系（O-XYZ）：简称地面坐标系，根据隧道中线设计而定，一般为地方坐标系。洞内(外)控制点、测站点、后视点以及隧道中线坐标，均用该系坐标表示。

(2)盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系。盾构机坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示，这些坐标由盾构机制造商测定并给出。

(3)棱镜中心坐标系（P-x’y’z’）：原点为安装在盾构机尾部的棱镜的中心，与盾构机坐标系平行。

除此之外，为了解算还引入了其他一些空间辅助坐标系，从略。

3.2描述盾构机姿态的要素

描述盾构机姿态的参数有：刀头坐标（xF''''，yF，zF）：水平角A；倾角α；旋转角κ。如图4所示。

由盾构机姿态及设计隧道中线，可推算如下数据：刀头里程：刀头、盾尾三维偏差；平面偏角（Yaw）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角；倾角（Pitch）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向（线路前进方向）竖直投影面的夹角；旋角（Roll）：盾构机绕自身中心轴线相对于水平位置旋转的角度。

3.3激光导向系统原理和工作过程

激光导向系统的英文本义是“盾构指导系统”，在盾构施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能；其中指导掘进是核心功能。本文仅研究激光导向系统指导掘进的原理。

在掘进过程中，激光导向系统按如下流程工作：由系统控制激光全站仪实时测定盾构机棱镜的三维地面坐标；同时发射激光自动照准激光标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获激光的入射角，间接得到盾构机纵轴水平方位角；利用安装在标靶中相互垂直两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。利用以上参数及刀头、盾尾、棱镜中心三者的几何关系，通过空间坐标变换解算刀头、盾尾中心坐标，结合设计隧道中线参数计算盾构机与隧道中线的相对偏差。依据各偏差值拟合改正曲线，由PLC根据修正曲线控制机械装置，调整各油缸杆在不同时刻的伸长量。如此反复，指导盾构机掘进。

该导向过程包括如下6个步骤。

3.3.1棱镜P点坐标和旋转参数的获取：

P点坐标(XP,YP,ZP)：由系统控制架设在隧洞顶部吊篮上的激光全站仪自动测量。盾构机水平方位角：设自激光全站仪发射到激光标靶的激光束的水平方位角为A0，光栅根据折射率捕获的激光入射角为θ。则系统获取盾构机方位角为A=A0-θ(见图5)。竖向倾角α和旋角κ：依靠ELS中的两只相互垂直的测角仪测得。本文规定A顺时针旋为正，α、κ逆时针旋为正。

3.3.2刀头、盾尾中心的地面坐标系三维坐标解算：

1）将盾构机坐标转化为棱镜中心坐标：

设刀头中心F、盾尾中心B及棱镜中心在盾构机坐标系中的坐标分别为（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）则三点在棱镜坐标系中的坐标为（-xP,-yP,-zP）、（xB-xP,yB-yP,zB-zP）和（0,0,0）。

2）刀头、盾尾中心地面坐标解算：

刀头中心在地面坐标系中的三维坐标为

3.3.3刀头、盾尾里程及盾构机与隧道中线相对偏差的解算：

根据解出的刀头、盾尾地面坐标和隧道中心轴线设计参数，计算刀头、盾尾里程（难点是刀头和盾尾位于隧道中线缓和曲线段的情形，解法可参考文献[5]、[6]），以及刀头、盾尾里程处设计隧道轴线平面坐标和高程。进而根据盾构机刀头、盾尾中心坐标、高程和对应的隧道中线理论坐标、高程，容易计算得到刀头、盾尾横向偏移和竖向偏移（方法略）。

前面已经提到，激光导向系统的显示面板在掘进模式下动态显示盾构机姿态及偏差。内容包括：以图形和数字方式显示刀头、盾尾横向偏差和竖向偏差，以数字方式显示刀头里程、水平偏角、纵向倾角和旋转角等参数（见图2）。

3.3.4拟合修正曲线：

以盾构机横向、竖向偏移量和设计隧道中线为参数，拟合修正曲线（拟合方式和算法有待进一步研究）。可人工输入修正曲线的曲率半径等参数，以控制盾构机回到设计轴线的速度。

3.3.5推进：

根据修正曲线由可编程逻辑控制器（PLC）控制机械设备，调整各油缸杆的伸长量。。

3.3.6重复1至5步。

从以上分析可以发现，自动导向系统的测绘学原理实质是：已知两坐标系之间的3个平移参数和3个转角参数，求解一个坐标系内的参考点在另一个坐标系中的坐标。进一步比较该系内盾构机参考点和对应理论隧道轴线坐标偏差，拟合修正曲线。

4盾构机控制测量

盾构机控制测量的原理是：通过人工测量盾构机体上具有精确盾构机坐标的若干个(盾构机始发前，机体全身多于16个；在隧道掘进中，仅尾部16个可见)参考点的地面坐标系坐标，以著名的“Bursa-wolf模型”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘原理平差解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。

建模方法和解算步骤限于篇幅，不再讨论。

5影响激光导向系统和盾构机控制测量精度的因素

从以上分析可知，激光导向系统和盾构机控制测量中，盾构机姿态解算的方法有本质区别：激光导向系统，通过直接采集一个参考点（P）地面坐标和三个转角参数，正解刀头、盾尾地面坐标；盾构机控制测量是通过采集多个(至少3个)参考点地面坐标，反解刀头、盾尾地面坐标和三个转角参数。正解不含平差，反解运用了最小二乘原理平差。因此，从理论上讲，后者在盾构机姿态解算方面比前者更能有效地减少或消除偶然误差。这也是采用盾构机控制测量对激光导向系统进行参数配置和校核的原因。

不论是激光导向系统,还是盾构机控制测量,原始依据都是用支导线形式获得的测站坐标和定向点（后视）坐标。对于前者，三个转角的精度取决于光栅和测角仪的灵敏程度，其误差相对于测站误差和定向误差微乎其微。对于后者，盾尾参考点的盾构机坐标，由于在出厂前精确测定，误差亦可忽略。因此，激光导向和盾构机控制测量的误差主要集中在测站点三维坐标和后视方向上。另外，由于隧道内空气温、湿度条件对视线和激光都会产生折光影响，使得激光导向系统和盾构机控制测量测角均产生误差。

6结论

在盾构施工中，采取以下措施，可提高激光导向系统的测量精度：

(1)在掘进始发前进行盾构机控制测量时,注意观测参考点的均匀分布、足数和有可能含粗差点的判定和剔除,以便精确解算盾构机初始姿态参数,保证激光导向系统正确初始化。

(2)向系统正确录入隧道平曲线、竖曲线参数。

(3)提高地下支导线的精度，并及时对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测。

(4)随隧道掘进、环片拼装进度，及时对激光全站仪进行移站，以减少外界温、湿度等气象条件的影响。一般激光全站仪到盾构机上棱镜最远距离，在直线段不应超过200m,在曲线段不应超过100m。

(5)隧道掘进过程的间隙，及时进行盾构机控制测量，以检核、修正激光导向系统的有关参数。

参考文献

[1]VMTGmbH-Bruchsal.SLS-TManual[M].Germany.

[2]朱肇光,孙护,崔炳光.摄影测量学[M].北京:测绘出版社,1995.

[3]刘基余,李征航等.全球定位系统原理及其应用[M].北京:测绘出版社,1993.

[4]武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础[M].北京:测绘出版社，1996.

[5]秦世伟,陈小枚.快速确定交通线路加桩的简要方法探讨[J].测绘通报,2001,(1).