基于cRIO模塊和LabVIEW 8.6軟件實現(xiàn)大橋強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的設(shè)計

作者：葉春明，吳華燈，郭德順，謝劍波，黃文輝

挑戰(zhàn)：系統(tǒng)在高動態(tài)范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道設(shè)計上，具有一定的難度；在FPGA上，GPS同步、數(shù)字降采樣、標(biāo)定信號的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略的實現(xiàn)極具挑戰(zhàn)性；在數(shù)據(jù)接口中， miniSEED地震數(shù)據(jù)包的封裝和基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信又是一個難點；在數(shù)據(jù)分析上，既可以分析信號的時域指標(biāo)，又可進(jìn)行頻譜分析和時頻譜分析并綜合數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行強震動報警。

應(yīng)用方案：利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW 8.6集成開發(fā)軟件快速構(gòu)建軟硬件平臺，進(jìn)行多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)地震動信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實時分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動破壞事件報警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等功能。數(shù)據(jù)采集器的終端軟件采用Sever和Client兩種模式并行工作，在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺陣的應(yīng)用中，一方面將采集到的36通道震動信號，實時封裝成miniSEED地震數(shù)據(jù)包，以Client方式，按照NetSeisIP協(xié)議發(fā)送到路橋公司的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，再由其它地震專業(yè)處理模塊進(jìn)行互相關(guān)處理；另一方面，數(shù)據(jù)采集器作為Sever，監(jiān)聽數(shù)據(jù)中心上位機(jī)通信分析軟件的各項功能請求并作出相關(guān)響應(yīng)，實現(xiàn)對大橋的強震動監(jiān)測與報警。

使用的產(chǎn)品：

LabVIEW 8.6軟件開發(fā)平臺

cRIO-9014嵌入式實時控制器

cRIO-9104 cRIO背板

cRIO-9205 模擬輸入模塊

cRIO-9263 模擬輸出模塊

cRIO-9401 高速數(shù)字IO模塊

介紹：

目前，從國外整套進(jìn)口的地震反應(yīng)專用臺陣的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其性價比和功能已經(jīng)不能很好滿足國內(nèi)的需要。通過多方選型，決定采用NI 的cRIO搭建硬件平臺，使用LabVIEW8.6自主進(jìn)行多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)。

NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統(tǒng)，具有耐久較好、功耗較低等特點。借助NI cRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)觸發(fā)存儲功能更為強大和專業(yè)，支持地震業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，全面滿足地震信號處理與分析的專業(yè)要求。在NI平臺上實現(xiàn)的地震業(yè)界通用的數(shù)據(jù)交換格式miniSEED的實時打包，并且基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，更具創(chuàng)新性。

“基于NI cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”已經(jīng)在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺陣上投入使用，初見成效。

1、項目背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，地震對社會和經(jīng)濟(jì)的影響更顯突出，建設(shè)高密度數(shù)字強震臺網(wǎng)、臺陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災(zāi)害的重要舉措，已受到政府高度重視?！笆濉逼陂g，國家在在21個國家地震重點監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)建設(shè)了1160個固定自由場強震動觀測臺，在全國建設(shè)了活斷層影響、地震動衰減、場地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、典型建筑結(jié)構(gòu)等12個地震反應(yīng)專用臺陣，但是這方面的數(shù)據(jù)采集設(shè)備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，承受著昂貴的費用負(fù)擔(dān)和技術(shù)約束，在一定程度上制約了我國防震減災(zāi)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我們國家經(jīng)過30年改革開放的飛速發(fā)展，修建了大量的重大工程、生命線工程（機(jī)場、港口、燃?xì)鈽屑~、供水管道、海洋平臺等）、超高層建筑（電視塔、商務(wù)中心等）和特殊結(jié)構(gòu)（地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等），而這些工程的地震反應(yīng)專用臺陣的布設(shè)甚少，工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康診斷和突發(fā)性震動破壞報警技術(shù)沒有得到深層次的發(fā)展與應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，滿足不了時代發(fā)展的需求。

我們非常迫切需要研制一套集振動信號檢測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與分析、工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康診斷和突發(fā)性震動破壞事件報警技術(shù)等功能于一體的“多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”。該系統(tǒng)的研制成功，將減輕費用的負(fù)擔(dān)，形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件產(chǎn)品，更好地滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。通過部署這套系統(tǒng)到重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)上，將獲取豐富的結(jié)構(gòu)抗震性能信息、提高結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計水平，將能實時地對工程建筑結(jié)構(gòu)物的健康進(jìn)行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動破壞事件時，能對重大工程、生命線工程實行監(jiān)測報警，及時采取應(yīng)急措施，進(jìn)而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡。

“多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，將能加速科技成果轉(zhuǎn)化、形成產(chǎn)業(yè)化，為全國的重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防、健康診斷和破壞性震動事件預(yù)警提供更為準(zhǔn)確和可靠的科學(xué)依據(jù)。

2、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)組成

“基于NI cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”是針對重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程實時長期地開展強震動監(jiān)測和分析其健康狀況而設(shè)計的，能夠以分布式布設(shè)，也可以作為單一監(jiān)測系統(tǒng)獨立工作。系統(tǒng)由地震觀測站點、專線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三大部分構(gòu)成，如圖 1所示。地震觀測站點則由數(shù)據(jù)采集器、加速度計、供電設(shè)備和防雷設(shè)施組成，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理。專線網(wǎng)絡(luò)提供了地震觀測站點到數(shù)據(jù)中心的通信鏈路，使數(shù)據(jù)實時傳輸和交互通信有了便捷的途徑。數(shù)據(jù)中心主要部署了服務(wù)器、客戶端等設(shè)備。服務(wù)器加載了地震數(shù)據(jù)流模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、交互分析模塊等，負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的接收與對外分發(fā)、數(shù)據(jù)的存儲和交互分析。此外，服務(wù)器上還安裝了上位機(jī)通信控制及分析軟件，以Client的方式主動連接遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集器，啟動第二路實時數(shù)據(jù)流的接收和數(shù)據(jù)的實時顯示、實時處理、實時警報。

圖1 強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)組成

3、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)硬件平臺搭建

多通道強震動數(shù)據(jù)采集器采用NI cRIO數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊和電源模塊搭建而成。其中cRIO由嵌入式實時控制器cRIO 9014、cRIO背板cRIO 9104、模擬輸入模塊cRIO 9205、模擬輸出模塊cRIO 9263和高速數(shù)字IO模塊cRIO 9401構(gòu)成。如圖 2所示。

圖2 多通道強震動數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統(tǒng)，基于NI可重新配置I/O（RIO）技術(shù)。它不僅具備實時嵌入式處理器的低功率能耗功能，還兼有RIO FPGA芯片集的優(yōu)越性能。借助NI CompactRIO，用戶可以快速、低成本、高度可靠地創(chuàng)建嵌入式控制或采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與自定義設(shè)計的硬件電路在優(yōu)化性能上相媲美。

4、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實現(xiàn)

4.1 采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)

采集終端統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件架構(gòu)可以使上位機(jī)能通過一致的接口與其交互命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便用戶的使用。

整個數(shù)據(jù)采集終端的軟件由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集又分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲引擎、GPS時間引擎、數(shù)據(jù)壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流協(xié)議傳輸引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成，如圖3所示。

圖3采集終端的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

1） 數(shù)據(jù)采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務(wù)：

a） 通過鎖相環(huán)（PLL）與GPS秒脈沖（PPS）同步，并生成采鐘和觸發(fā)邏輯。保證數(shù)據(jù)采集與GPS同步。時鐘的同步精度《1us，這使得多個采集站間的數(shù)據(jù)同步成為可能。

b） 模擬數(shù)據(jù)通過采集模塊（AI）以24倍的過采樣率采集下來，再經(jīng)過一個24倍的數(shù)字降采樣濾波器（Down Sample）回復(fù)到正常采樣率，這樣可以更好的避免信號混疊，并提供更高的動態(tài)范圍。

c） 在需要時使用AO輸出標(biāo)定信號，通過多路開關(guān)分配給傳感器以完成標(biāo)定。

2）數(shù)據(jù)記錄與傳送部分運行在實時控制器（RT）上，主要完成以下任務(wù)：

a） GPS信號解析器（NMEA Parser）接收GPS信息，以提取當(dāng)前時間和經(jīng)緯度、高程等地理位置信息。

b） 觸發(fā)邏輯模塊通過處理采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)靈活有效的存儲觸發(fā)策略。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)可選的觸發(fā)濾波器（IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION和IIR-C）后進(jìn)行閾值判定或長時/短時均值比（LTA/STA）判定。這可以有效的消除噪聲的影響、改善記錄器的靈敏度。每個通道都有各自的權(quán)重，各通道判定的結(jié)果和內(nèi)、外觸發(fā)及網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的加權(quán)組合決定了是否記錄數(shù)據(jù)。工作流程如圖4 、圖5 所示。用戶可以通過FTP網(wǎng)絡(luò)接口收集記錄的數(shù)據(jù)。

圖4 通道觸發(fā)流程

圖5 儀器觸發(fā)記錄

c） 數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)用miniSEED格式壓縮打包，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠(yuǎn)程的NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器或上位機(jī)監(jiān)控分析軟件。

3）通信部分實現(xiàn)的接口

a） 數(shù)據(jù)接口（Data Interface）用來將實時數(shù)據(jù)流發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

b） 控制接口（Control Interface）用于接收用戶的控制指令

c） 調(diào)試接口（Debug Interface）用來將程序運行中的狀態(tài)信息和出錯信息發(fā)送給調(diào)試終端。

4.3 上位機(jī)通信控制及分析軟件的實現(xiàn)

上位機(jī)通信控制及分析軟件主要由記錄儀設(shè)置、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成，如圖 6所示。

圖 6上位機(jī)程序主界面

其中記錄儀設(shè)置包括常規(guī)、數(shù)據(jù)采集、通道、事件記錄信息的設(shè)置等；實時監(jiān)測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設(shè)置、本地記錄、遠(yuǎn)程記錄、標(biāo)定信號、站點信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強震告警、關(guān)鍵參數(shù)實時計算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地數(shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程記錄、標(biāo)定信號、站點信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強震告警、關(guān)鍵參數(shù)實時計算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地數(shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實時或離線分析信號的時域指標(biāo)（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對時域波形進(jìn)行頻譜分析和時頻譜分析，計算出健康診斷和警報等關(guān)鍵參數(shù)信息。上位機(jī)程序由近100個子VI實現(xiàn)，圖7是實時監(jiān)測主界面，圖8是配置界面。

圖7 實時監(jiān)測主界面

圖8 數(shù)據(jù)采集器配置界面

結(jié)論

借助NI公司功能強大、高效并且容易使用的圖形化編程語言LabVIEW，結(jié)合先進(jìn)的cRIO硬件平臺，我們在很短的時間內(nèi)就搭建了多通道強震動監(jiān)測與報警平臺，較快地實現(xiàn)了地震動信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實時分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動破壞事件報警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等復(fù)雜功能，大大縮短了程序的開發(fā)周期?！盎贜I cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，達(dá)到了高動態(tài)范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道的設(shè)計要求，并且結(jié)合了行業(yè)的應(yīng)用，采用了創(chuàng)新的方法，在 NI的平臺上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸。可以預(yù)見，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。

責(zé)任編輯：gt