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挑戰：系統在高動(dòng)態(tài)范圍、高計時(shí)精度、高頻譜純度和多通道設計上，具有一定的難度；在FPGA上，GPS同步、數字降采樣、標定信號的多路轉換控制和多種復雜的觸發(fā)策略的實(shí)現極具挑戰性；在數據接口中， miniSEED地震數據包的封裝和基于NetSeisIP地震數據流的通信又是一個(gè)難點(diǎn)；在數據分析上，既可以分析信號的時(shí)域指標，又可進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析并綜合數據處理結果進(jìn)行強震動(dòng)報警。 應用方案：利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW 8.6集成開(kāi)發(fā)軟件快速構建軟硬件平臺，進(jìn)行多通道強震動(dòng)監測與報警系統開(kāi)發(fā)，實(shí)現地震動(dòng)信號調理、數據采集、時(shí)鐘同步、數據壓縮傳輸、數據實(shí)時(shí)分析、數據離線(xiàn)分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報警、網(wǎng)絡(luò )通信和儀器控制等功能。數據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(mén)大橋的地震反應專(zhuān)用臺陣的應用中，一方面將采集到的36通道震動(dòng)信號，實(shí)時(shí)封裝成miniSEED地震數據包，以Client方式，按照NetSeisIP協(xié)議發(fā)送到路橋公司的數據中心服務(wù)器，再由其它地震專(zhuān)業(yè)處理模塊進(jìn)行互相關(guān)處理；另一方面，數據采集器作為Sever，監聽(tīng)數據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，實(shí)現對大橋的強震動(dòng)監測與報警。 使用的產(chǎn)品： LabVIEW 8.6軟件開(kāi)發(fā)平臺 cRIO-9014嵌入式實(shí)時(shí)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 高速數字IO模塊 介紹： 目前，從國外整套進(jìn)口的地震反應專(zhuān)用臺陣的數據采集設備，其性?xún)r(jià)比和功能已經(jīng)不能很好滿(mǎn)足國內的需要。通過(guò)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(dòng)監測與報警系統開(kāi)發(fā)。 NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統，具有耐久較好、功耗較低等特點(diǎn)。借助NI cRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開(kāi)發(fā)了采集系統。系統中的數據觸發(fā)存儲功能更為強大和專(zhuān)業(yè)，支持地震業(yè)界標準的文件格式，全面滿(mǎn)足地震信號處理與分析的專(zhuān)業(yè)要求。在NI平臺上實(shí)現的地震業(yè)界通用的數據交換格式miniSEED的實(shí)時(shí)打包，并且基于NetSeisIP地震數據流的通信協(xié)議傳輸數據，更具創(chuàng )新性。 “基于NI cRIO的多通道強震動(dòng)監測與報警系統”已經(jīng)在廣東虎門(mén)大橋的地震反應專(zhuān)用臺陣上投入使用，初見(jiàn)成效。 1、項目背景 隨著(zhù)我國經(jīng)濟建設步伐的加快，地震對社會(huì )和經(jīng)濟的影響更顯突出，建設高密度數字強震臺網(wǎng)、臺陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災害的重要舉措，已受到政府高度重視�！笆濉逼陂g，國家在在21個(gè)國家地震重點(diǎn)監視防御區內建設了1160個(gè)固定自由場(chǎng)強震動(dòng)觀(guān)測臺，在全國建設了活斷層影響、地震動(dòng)衰減、場(chǎng)地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、典型建筑結構等12個(gè)地震反應專(zhuān)用臺陣，但是這方面的數據采集設備幾乎全部依靠整套進(jìn)口，承受著(zhù)昂貴的費用負擔和技術(shù)約束，在一定程度上制約了我國防震減災和社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展。 我們國家經(jīng)過(guò)30年改革開(kāi)放的飛速發(fā)展，修建了大量的重大工程、生命線(xiàn)工程(機場(chǎng)、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)和特殊結構(地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等)，而這些工程的地震反應專(zhuān)用臺陣的布設甚少，工程建筑結構物的健康診斷和突發(fā)性震動(dòng)破壞報警技術(shù)沒(méi)有得到深層次的發(fā)展與應用，遠遠跟不上社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的速度，滿(mǎn)足不了時(shí)代發(fā)展的需求。 我們非常迫切需要研制一套集振動(dòng)信號檢測、數據采集、數據傳輸與分析、工程建筑結構物的健康診斷和突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報警技術(shù)等功能于一體的“多通道強震動(dòng)監測與報警系統”。該系統的研制成功，將減輕費用的負擔，形成擁有自主知識產(chǎn)權的軟件產(chǎn)品，更好地滿(mǎn)足社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的需要。通過(guò)部署這套系統到重大工程、生命線(xiàn)工程、超高層建筑和特殊結構上，將獲取豐富的結構抗震性能信息、提高結構分析和設計水平，將能實(shí)時(shí)地對工程建筑結構物的健康進(jìn)行診斷。特別是在遇到突發(fā)性震動(dòng)破壞事件時(shí)，能對重大工程、生命線(xiàn)工程實(shí)行監測報警，及時(shí)采取應急措施，進(jìn)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(dòng)監測與報警系統”，將能加速科技成果轉化、形成產(chǎn)業(yè)化，為全國的重大工程、生命線(xiàn)工程、超高層建筑和特殊結構的抗震設防、健康診斷和破壞性震動(dòng)事件預警提供更為準確和可靠的科學(xué)依據。 2、強震動(dòng)監測與報警系統組成 “基于NI cRIO的多通道強震動(dòng)監測與報警系統”是針對重大工程、生命線(xiàn)工程、超高層建筑和特殊結構遠程實(shí)時(shí)長(cháng)期地開(kāi)展強震動(dòng)監測和分析其健康狀況而設計的，能夠以分布式布設，也可以作為單一監測系統獨立工作。系統由地震觀(guān)測站點(diǎn)、專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和數據中心三大部分構成，如圖 1所示。地震觀(guān)測站點(diǎn)則由數據采集器、加速度計、供電設備和防雷設施組成，主要進(jìn)行數據采集和預處理。專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供了地震觀(guān)測站點(diǎn)到數據中心的通信鏈路，使數據實(shí)時(shí)傳輸和交互通信有了便捷的途徑。數據中心主要部署了服務(wù)器、客戶(hù)端等設備。服務(wù)器加載了地震數據流模塊、數據存儲模塊、交互分析模塊等，負責實(shí)時(shí)數據的接收與對外分發(fā)、數據的存儲和交互分析。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(dòng)連接遠程的數據采集器，啟動(dòng)第二路實(shí)時(shí)數據流的接收和數據的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)警報。 
圖1 強震動(dòng)監測與報警系統組成 3、強震動(dòng)監測與報警系統硬件平臺搭建 多通道強震動(dòng)數據采集器采用NI cRIO數據采集模塊、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和高速數字IO模塊cRIO 9401構成。如圖 2所示。
圖2 多通道強震動(dòng)數據采集器內部結構 NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統，基于NI可重新配置I/O(RIO)技術(shù)。它不僅具備實(shí)時(shí)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(hù)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，該系統可與自定義設計的硬件電路在優(yōu)化性能上相媲美。 4、強震動(dòng)監測與報警系統的軟件架構及其實(shí)現 4.1 采集終端的系統軟件架構 采集終端統一的系統軟件架構可以使上位機能通過(guò)一致的接口與其交互命令、狀態(tài)和數據，方便用戶(hù)的使用。 整個(gè)數據采集終端的軟件由數據采集和通信兩大部分組成。數據采集又分為數據采集模塊、數據采集引擎、數據存儲引擎、GPS時(shí)間引擎、數據壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數據流協(xié)議傳輸引擎。通信部分則由數據接口、控制接口和調試接口組成，如圖3所示。
圖3采集終端的系統軟件結構框圖 1) 數據采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務(wù)： a) 通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)與GPS秒脈沖(PPS)同步，并生成采鐘和觸發(fā)邏輯。保證數據采集與GPS同步。時(shí)鐘的同步精度<1us，這使得多個(gè)采集站間的數據同步成為可能。 b) 模擬數據通過(guò)采集模塊(AI)以24倍的過(guò)采樣率采集下來(lái)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)24倍的數字降采樣濾波器(Down Sample)回復到正常采樣率，這樣可以更好的避免信號混疊，并提供更高的動(dòng)態(tài)范圍。 c) 在需要時(shí)使用AO輸出標定信號，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分配給傳感器以完成標定。 2)數據記錄與傳送部分運行在實(shí)時(shí)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，以提取當前時(shí)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(guò)處理采集到的數據實(shí)現靈活有效的存儲觸發(fā)策略。 采集數據經(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(cháng)時(shí)/短時(shí)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(gè)通道都有各自的權重，各通道判定的結果和內、外觸發(fā)及網(wǎng)絡(luò )觸發(fā)的加權組合決定了是否記錄數據。工作流程如圖4 、圖5 所示。用戶(hù)可以通過(guò)FTP網(wǎng)絡(luò )接口收集記錄的數據。
圖4 通道觸發(fā)流程
圖5 儀器觸發(fā)記錄 c) 數據傳輸模塊將采集到的數據用miniSEED格式壓縮打包，并按照NetSeisIP地震數據流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠程的NetSeisIP地震數據流服務(wù)器或上位機監控分析軟件。 3)通信部分實(shí)現的接口 a) 數據接口(Data Interface)用來(lái)將實(shí)時(shí)數據流發(fā)送到遠程數據中心。 b) 控制接口(Control Interface)用于接收用戶(hù)的控制指令 c) 調試接口(Debug Interface)用來(lái)將程序運行中的狀態(tài)信息和出錯信息發(fā)送給調試終端。 4.3 上位機通信控制及分析軟件的實(shí)現 上位機通信控制及分析軟件主要由記錄儀設置、實(shí)時(shí)監測、數據管理、數據分析四大模塊組成，如圖 6所示。
圖 6上位機程序主界面 其中記錄儀設置包括常規、數據采集、通道、事件記錄信息的設置等；實(shí)時(shí)監測包括波形的實(shí)時(shí)顯示、通道表示、本地記錄設置、本地記錄、遠程記錄、標定信號、站點(diǎn)信息、系統狀態(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)鍵參數實(shí)時(shí)計算及顯示等；數據管理包括數據采集器的數據回收及數據刪除、本地數據的更新及刪除等。數據分析可以實(shí)現遠程記錄、標定信號、站點(diǎn)信息、系統狀態(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)鍵參數實(shí)時(shí)計算及顯示等；數據管理包括數據采集器的數據回收及數據刪除、本地數據的更新及刪除等。數據分析可以實(shí)時(shí)或離線(xiàn)分析信號的時(shí)域指標（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對時(shí)域波形進(jìn)行頻譜分析和時(shí)頻譜分析，計算出健康診斷和警報等關(guān)鍵參數信息。上位機程序由近100個(gè)子VI實(shí)現，圖7是實(shí)時(shí)監測主界面，圖8是配置界面。
圖7 實(shí)時(shí)監測主界面
圖8 數據采集器配置界面 結論 借助NI公司功能強大、高效并且容易使用的圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW，結合先進(jìn)的cRIO硬件平臺，我們在很短的時(shí)間內就搭建了多通道強震動(dòng)監測與報警平臺，較快地實(shí)現了地震動(dòng)信號調理、數據采集、時(shí)鐘同步、數據壓縮傳輸、數據實(shí)時(shí)分析、數據離線(xiàn)分析、健康診斷、突發(fā)性震動(dòng)破壞事件報警、網(wǎng)絡(luò )通信和儀器控制等復雜功能，大大縮短了程序的開(kāi)發(fā)周期�！盎贜I cRIO的多通道強震動(dòng)監測與報警系統”，達到了高動(dòng)態(tài)范圍、高計時(shí)精度、高頻譜純度和多通道的設計要求，并且結合了行業(yè)的應用，采用了創(chuàng )新的方法，在 NI的平臺上實(shí)現了數據的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸�？梢灶A見(jiàn)，在地震行業(yè)內，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。 作者：廣東省地震局 葉春明（高級工程師）吳華燈（工程師）郭德順（工程師）謝劍波（高級工程師）黃文輝（高級工程師） 本文獲NI公司2009 案例征文大賽最高成就獎及網(wǎng)絡(luò )人氣獎 |
