基于cRIO的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀

應(yīng)用背景

基于cRIO的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀是針對(duì)重大工程、生命線工程、高層建筑和大型結(jié)構(gòu)全天候?qū)崟r(shí)地進(jìn)行強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的。即可以作為單一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立工作，又可以通過光纖及以太網(wǎng)進(jìn)行分布式擴(kuò)展組成監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)協(xié)同工作。數(shù)字強(qiáng)震記錄儀與前端三向加速度計(jì)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及后端專業(yè)分析軟件工具協(xié)同工作，完成對(duì)觀測(cè)點(diǎn)地震信號(hào)的監(jiān)測(cè)，為地震信號(hào)的形成和傳播機(jī)理的深入研究、地震的預(yù)警以及地震對(duì)大型結(jié)構(gòu)體健康狀況的影響評(píng)估等工作提供重要的技術(shù)手段和有力的數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用方案

基于cRIO硬件平臺(tái)，本方案利用NI LabVIEw開發(fā)出一套適用于全天候地震監(jiān)測(cè)的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀。記錄儀可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式擴(kuò)展組成監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，為地震信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)報(bào)提供最底層的數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)硬件組成

多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀基于NIcRIO工業(yè)級(jí)測(cè)控硬件平臺(tái)構(gòu)建，提供16×3路加速度信號(hào)接人接口(含16路加速度計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)輸出)、外觸發(fā)信號(hào)接口、GPS天線接口和以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的機(jī)箱和控制器分別選用cRIO-9104和cRIO-9014：選用3塊cRIO-9205對(duì)16×3路加速度信號(hào)進(jìn)行采集：選用l塊cRIO-9403接入外觸發(fā)信號(hào)，并輸出16路加速度計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)：選用1塊由聚星儀器研發(fā)的符合cRIO模塊接口標(biāo)準(zhǔn)的VISN GPS-C87進(jìn)行GPS信號(hào)接收和時(shí)基同步。具體的系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和狀態(tài)接口組成。在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些不同的引擎和接口都是獨(dú)立運(yùn)行的VI(虛擬儀器)，通過上層的動(dòng)態(tài)調(diào)用來執(zhí)行。這樣可利用LabVIEw多線程的特性，避免各個(gè)模塊之間的相互阻塞干擾。

數(shù)據(jù)采集模塊及相關(guān)處理工作是在cRIO-9104的FPG Al上完成的，具有硬件級(jí)的定時(shí)和處理能力，主要完成以下任務(wù)。

1)由VISN GPS—C87通過與GPS同步，產(chǎn)生絕對(duì)時(shí)間和PPs秒脈沖信號(hào)：通過PLL數(shù)字鎖相環(huán)與PPS同步，產(chǎn)生cKIO－9205的過采樣時(shí)鐘，使得cRIO-9205的數(shù)據(jù)采集與GPS同步(時(shí)鐘同步誤差<1s)，從而保證分布在不同位置的地震記錄儀能夠進(jìn)行高精度的同步采集。

2)cRIO-9205實(shí)際以指定采樣率24倍的過采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過一個(gè)24倍的數(shù)字降采樣濾波器可恢復(fù)到指定的采樣率，這樣做可以更好地避免信號(hào)混疊，并進(jìn)一步提高輸入通道的動(dòng)態(tài)范圍。

3)cRIO-9403產(chǎn)生加速度計(jì)校準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)：同時(shí)接入外觸發(fā)數(shù)字信號(hào)，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)邏輯時(shí)，產(chǎn)生外觸發(fā)邏輯。

4)VISN GPS-C87產(chǎn)生的絕對(duì)時(shí)間。cRIO-9403產(chǎn)生的外觸發(fā)邏輯以及cRIO-9205經(jīng)過降采樣后的數(shù)據(jù)都送至數(shù)據(jù)采集引擎。

其余所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上實(shí)現(xiàn)的，它們分別以確定的時(shí)間特性實(shí)時(shí)地完成特定的任務(wù)。數(shù)據(jù)采集引擎根據(jù)系統(tǒng)文件對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行配置和調(diào)度，并將數(shù)據(jù)采集模塊傳送的絕對(duì)時(shí)間和降采樣后的信號(hào)數(shù)據(jù)打包成波形后和外觸發(fā)邏輯一并傳送給數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。

數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎對(duì)數(shù)據(jù)采集引擎?zhèn)魉偷拿客ǖ缹?shí)時(shí)信號(hào)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的觸發(fā)邏輯判斷。具體某一通道的觸發(fā)流程如圖3所示，宴時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過可選的觸發(fā)濾波器(IIR-A、CLASSICSTRONG MOTIoN和IIR－c)后進(jìn)行閾值判定或長(zhǎng)時(shí)／短肘均值比(LTA／STA)判定、從而判斷產(chǎn)生該通道觸發(fā)輸出。這樣可以有效消除噪聲的影響，改善記錄器的靈敏度。每個(gè)通道都有各自的權(quán)重，各通道判定的結(jié)果和外觸發(fā)及網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的加權(quán)組合決定是否對(duì)觸發(fā)選擇的通道信號(hào)數(shù)據(jù)(觸發(fā)數(shù)據(jù))及相應(yīng)的報(bào)警信息進(jìn)行本地記錄并傳送至數(shù)據(jù)接口。觸發(fā)的加權(quán)組合邏輯判斷如圖4所示。

數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎?zhèn)魉偷挠|發(fā)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的報(bào)警信息處理轉(zhuǎn)換成miniSEED格式數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)-時(shí)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示和報(bào)警。控制接口用于接收上位機(jī)的控制指令、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和工作狀態(tài)的切換。狀態(tài)接口負(fù)責(zé)將各引擎和接口的狀態(tài)轉(zhuǎn)換及錯(cuò)誤信息進(jìn)行匯總，并以廣播的形式向上位機(jī)發(fā)送。

上位機(jī)程序界面

上位機(jī)與多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，提供記錄儀設(shè)置界面和信號(hào)顯示及分析界面。記錄儀設(shè)置界面如圖s所示，包括通道選擇及相關(guān)屬性、對(duì)應(yīng)傳感器信息及屬性、記錄儀觸發(fā)條件及屬性等的查詢與設(shè)置。信號(hào)顯示及分析界面如圖6所示，包括記錄儀及GPS的工作狀態(tài)指示、各通道觸發(fā)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息的實(shí)時(shí)顯示(miniSEED格式數(shù)據(jù)解包)、信號(hào)數(shù)據(jù)的在線及離線時(shí)頻域分析等功能。

結(jié)論

基于NI優(yōu)秀的cRIO硬件平臺(tái)和強(qiáng)大的LabVIEW軟件平臺(tái)，我們?cè)诙讨忾g內(nèi)成功開發(fā)出集不間斷數(shù)據(jù)采集、強(qiáng)震信號(hào)記錄與宴時(shí)傳輸、強(qiáng)震信號(hào)預(yù)警等功能于一體的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀，并成功運(yùn)用于多個(gè)大型結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)震環(huán)境監(jiān)測(cè)。以往此類設(shè)備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，昂貴的費(fèi)用負(fù)擔(dān)和技術(shù)約束在一定程度上制約了我國(guó)防震減災(zāi)工作的進(jìn)一步發(fā)展?；赾RIO的多通道數(shù)字強(qiáng)震記錄儀的成功推出和應(yīng)用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白，在各類性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的同時(shí)，降低了應(yīng)用成本，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件及系統(tǒng)產(chǎn)品。