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),，又可進行頻譜分析和時頻譜分析并綜合數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行強震動報警,。
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,。
正文
1、項目背景
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快,，地震對社會和經(jīng)濟的影響更顯突出,，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,。“十五”期間,，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口,，承受著昂貴的費用負擔(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(機場,、港口、燃氣樞紐,、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,，遠遠跟不上社會經(jīng)濟發(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，進而減輕突發(fā)性破壞事件造成的經(jīng)濟損失,、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通信控制及分析軟件,，以Client的方式主動連接遠程的數(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。
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。
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,。
4.2 采集終端的軟件實現(xiàn)
多通道強震數(shù)據(jù)采集器終端軟件主要采用LabVIEW 8.6開發(fā),，期間調(diào)用了C++語言開發(fā)的miniSEED地震數(shù)據(jù)包封裝的動態(tài)連接庫。數(shù)據(jù)采集在FPGA和實時(RT)控制器上實現(xiàn),，集成了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)策略等極具挑戰(zhàn)性的功能,。通信部分的接口中,，由數(shù)據(jù)采集器直接將實時數(shù)據(jù)流壓縮打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議,，發(fā)送到遠程的地震流服務(wù)器或上位機監(jiān)控分析軟件,，如圖3所示。
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,，并生成采樣時鐘和觸發(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),。
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)送到遠程的NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器或上位機監(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 上位機通信控制及分析軟件的實現(xiàn)
上位機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。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
遠程記錄,、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,。
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,。“基于NI cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，達到了高動態(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?？梢灶A(yù)見,，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進行相關(guān)研發(fā),，將有廣闊的發(fā)展前景,。
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