基于CompactRIO的大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究
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cRIO可編程工業(yè)I/O系統(tǒng)具有嵌入式控制器和機(jī)箱，選配多種功能的信號(hào)采集卡，完全工業(yè)級(jí)的設(shè)計(jì)。
* 采用的cRIO控制器NI9014為嵌入式控制器。
* 采用的cRIO機(jī)箱NI-9104為8槽嵌入式機(jī)箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，F(xiàn)PGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動(dòng)生成自定義控制和信號(hào)處理電路。
* 采用cRIO的4通道高速同步數(shù)據(jù)采集卡NI-9215對于單向和三向加速度計(jì)進(jìn)行電壓信號(hào)采集。
* NI-9401八通道高速數(shù)字I/O信號(hào)，100ns超高速數(shù)字輸入輸出，用于加速度同步。
* NI-9871標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進(jìn)行采集，其輸出為485信號(hào)，接入NI-9871。
* NI-9871標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡，超聲波三向風(fēng)速儀直接輸出485信號(hào)，接入標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡NI-9871。
* NI-9203采用8通道模擬電流采集模塊，壓力變送器和溫濕度儀輸出信號(hào)分別為4-20mA電流，對于這類輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的傳感器接入NI-9203。
* 光纖光柵溫度傳感器與應(yīng)變傳感器采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行采集，其輸出為以太網(wǎng)信號(hào)。
本系統(tǒng)的監(jiān)測項(xiàng)目梁體振動(dòng)加速度需要較好的同步性和實(shí)時(shí)性，我們采用GPS精確授時(shí)技術(shù)、在每個(gè)采集站安裝GPS時(shí)鐘接收機(jī)，借助NI-9401 100ns超高速數(shù)字同步卡，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數(shù)據(jù)采集的同步性。
2.數(shù)據(jù)采集傳輸與控制
采集站實(shí)現(xiàn)的采集工作于LabVIEW-RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進(jìn)行交互，但其提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口和命令與用戶所在的控制終端、監(jiān)測終端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端進(jìn)行交互。采集站狀態(tài)與控制如圖3所示。
數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)服務(wù)器通過向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能：
1) 控制傳感器啟動(dòng)、停止數(shù)據(jù)采集；
2) 查詢傳感器和采集單元、調(diào)理器、其它采集設(shè)備的工作狀態(tài)；
3) 查看、修改采集單元和調(diào)理器的參數(shù)，標(biāo)簽等信息；
4) 通過修改配置文件上傳至采集站實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)的配置和更改。
圖3 數(shù)據(jù)采集站狀態(tài)與控制界面
3. 數(shù)據(jù)處理與控制模塊
采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊（子系統(tǒng)）對其進(jìn)行預(yù)處理方能夠提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。本子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制模塊，數(shù)據(jù)分類、抽取模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及用戶界面4部分組成。系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集、處理與控制子系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖
1) 反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)確定及其提取方案
結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征參數(shù)是指能夠反映結(jié)構(gòu)特征的物理量，比如：撓度，應(yīng)力，索力等；而傳感器－采集系統(tǒng)所獲得是傳感器的讀數(shù)，這些讀數(shù)一般反映的是電信號(hào)。將傳感器獲得的電信號(hào)向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換是極其重要的過程。具體流程如圖5所示。
a) 傳感器電信號(hào)向測試物理量的轉(zhuǎn)換
傳感器電信號(hào)向測試物理量的轉(zhuǎn)換通常利用標(biāo)定證書提供的曲線或參數(shù)可以完成傳感器讀數(shù)向物理量的轉(zhuǎn)換。
b) 測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換
測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換需要其它傳感器的配合，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。
c) 各種參數(shù)有效數(shù)據(jù)的抽取
d) 數(shù)字濾波
對于靜態(tài)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行活載及風(fēng)振的過濾，經(jīng)過過濾后的靜態(tài)參數(shù)將僅包含溫度對結(jié)構(gòu)的影響，這種過濾一般可以采用低通濾波的方式，實(shí)現(xiàn)的時(shí)候可以采用幅值域分析的方式。對于動(dòng)態(tài)參數(shù)則應(yīng)考慮所需要測試的頻率范圍進(jìn)行帶通濾波。
圖5 數(shù)據(jù)處理與控制軟件流程圖
2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
a) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎將指定的數(shù)據(jù)按照時(shí)間標(biāo)簽存入數(shù)據(jù)文件。
每個(gè)數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)測點(diǎn)（對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采通道）一段時(shí)間（定為1秒）連續(xù)采集數(shù)據(jù)的內(nèi)容。數(shù)據(jù)文件的文件名包括以下信息：采樣數(shù)據(jù)開始時(shí)間（小時(shí)-分-秒）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式（數(shù)據(jù)觸發(fā)說明）、采樣率、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)最大值、最小值、均值、方差。文件內(nèi)容包括各點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)。
b) 數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)策略根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式的不同而異，具體如下：
間斷存儲(chǔ)時(shí)，每個(gè)通道每段連續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件；觸發(fā)存儲(chǔ)時(shí)，被觸發(fā)的每個(gè)通道每段連續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)保存為一個(gè)文件；人工連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)，如果某通道要保存的連續(xù)數(shù)據(jù)很大，根據(jù)數(shù)據(jù)文件的大小，可以每10分鐘自動(dòng)更換一個(gè)文件保存；根據(jù)硬盤空間的大小，自動(dòng)刪除部分（一周）以前的數(shù)據(jù)文件。
四．軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場成果
1. 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：
1） 數(shù)據(jù)采集軟件（下位機(jī)FPGA部分）
作為基于LabVIEW的RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)的FPGA下位機(jī)程序，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)和控制任務(wù)，主要實(shí)現(xiàn)加速度、風(fēng)、溫度等信號(hào)的采樣與降采樣和振動(dòng)特征值計(jì)算、GPS對時(shí)、定時(shí)存儲(chǔ)、采集通道設(shè)定等功能。該部分程序燒寫在FPGA硬件模塊上，由FPGA硬件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換，最終被編譯為比特流文件，并下載到FPGA模塊上運(yùn)行。多個(gè)采集站采用統(tǒng)一軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)的模塊化和規(guī)范化，多機(jī)箱間的精確的同步采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。
2） 數(shù)據(jù)處理與控制軟件（上位機(jī)部分）
數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件是基于LabVIEW8.2平臺(tái)開發(fā)的，數(shù)據(jù)處理與控制工作站軟件平臺(tái)是基于LabVIEW8.2平臺(tái)下的狀態(tài)機(jī)機(jī)制，通過TCP協(xié)議實(shí)時(shí)接收下位機(jī)的原始數(shù)據(jù)與設(shè)備工作站的工作狀態(tài)，按照指定報(bào)文格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收解譯與命令的發(fā)送。同時(shí)，使用LabVIEW自帶的信號(hào)分析、數(shù)字濾波和統(tǒng)計(jì)分析等子VI，完成結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)提取工作。數(shù)據(jù)首先采用自定義結(jié)構(gòu)體包裝，通過queue隊(duì)列形式完成各VI之間的數(shù)據(jù)交互，隊(duì)列的先進(jìn)先出機(jī)制有效的解決的數(shù)據(jù)完整性和穩(wěn)定性。
3) 電力監(jiān)控部分軟件
軟件平臺(tái)采用可視性強(qiáng)、界面豐富的NI LabVIEW平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。電力監(jiān)測軟件為用戶提供一個(gè)可視化的監(jiān)測界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解現(xiàn)場傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整和負(fù)荷的控制。用戶通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)出電力設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)曲線，并完成上位機(jī)對應(yīng)的數(shù)據(jù)管理功能。界面如圖6所示。
圖6 采集站電力監(jiān)控界面
2.數(shù)據(jù)處理與控制軟件界面
數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件主要包括10大功能模塊：登錄模塊、采集站配置模塊、存儲(chǔ)任務(wù)管理模塊、采集任務(wù)管理模塊、傳感器狀態(tài)模塊、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)下載與入庫模塊、電力監(jiān)控模塊、用戶管理模塊、系統(tǒng)幫助模塊。界面如圖7所示。
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