基于NIcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)

TheChallenge:

系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道設(shè)計(jì)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(hào)的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略的實(shí)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(gè)難點(diǎn)。在數(shù)據(jù)分析上，需要時(shí)域指標(biāo)分析、頻譜分析和聯(lián)合時(shí)頻譜分析等綜合分析處理并進(jìn)行強(qiáng)震動(dòng)報(bào)警。

TheSolution:

利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW8.6集成開發(fā)軟件快速構(gòu)建軟硬件平臺(tái)，進(jìn)行多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)地震動(dòng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等功能。

"借助NIcRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發(fā)了地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)觸發(fā)存儲(chǔ)功能更為強(qiáng)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(hào)處理與分析的專業(yè)要求?！盎贜IcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”已經(jīng)在廣東虎門大橋的地震反應(yīng)專用臺(tái)陣上投入使用，初見(jiàn)成效。"

1.強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)組成

“基于NIcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”是針對(duì)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(shí)時(shí)長(zhǎng)期地開展強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析其健康狀況而設(shè)計(jì)的，既能夠以分布式布設(shè)，也可以作為單一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立工作。系統(tǒng)由地震觀測(cè)站點(diǎn)、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。

圖1強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)組成

地震觀測(cè)站點(diǎn)中的數(shù)據(jù)采集器采用NIcRIO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(shí)時(shí)控制器cRIO9014、cRIO背板cRIO9104、模擬輸入模塊cRIO9205、模擬輸出模塊cRIO9263和高速數(shù)字IO模塊cRIO9401構(gòu)成。如圖2所示。

圖2多通道強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集終端和上位機(jī)控制分析終端實(shí)現(xiàn)。

2.1采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)

整個(gè)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)采集在FPGA和實(shí)時(shí)(RT)控制器上實(shí)現(xiàn)，集成了GPS同步、數(shù)字降采樣、標(biāo)定信號(hào)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(shí)時(shí)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(yuǎn)程的地震流服務(wù)器或上位機(jī)監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。

圖3采集終端的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2上位機(jī)通信控制及分析軟件的實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成。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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包括波形的實(shí)時(shí)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(hào)、站點(diǎn)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(qiáng)震告警、關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)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?cái)?shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實(shí)時(shí)或離線分析信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析，計(jì)算出健康診斷和警報(bào)等關(guān)鍵參數(shù)信息。

結(jié)論

借助NI公司功能強(qiáng)大、高效并且容易使用的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW，結(jié)合先進(jìn)的cRIO硬件平臺(tái)，我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)就搭建了多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警平臺(tái)，較快地實(shí)現(xiàn)了地震動(dòng)信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報(bào)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NIcRIO的多通道強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)”，達(dá)到了高動(dòng)態(tài)范圍、高計(jì)時(shí)精度、高頻譜純度和多通道的設(shè)計(jì)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(tái)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸。可以預(yù)見(jiàn)，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。