基于cRIO的多通道數(shù)字強震記錄儀

　　應(yīng)用背景

　　基于cRIO的多通道數(shù)字強震記錄儀是針對重大工程、生命線工程、高層建筑和大型結(jié)構(gòu)全天候?qū)崟r地進(jìn)行強震動監(jiān)測及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測而設(shè)計的[1]，即可以作為單一監(jiān)測系統(tǒng)獨立工作，又可以通過光纖及以太網(wǎng)進(jìn)行分布式擴(kuò)展組成監(jiān)測臺網(wǎng)協(xié)同工作。數(shù)字強震記錄儀與前端三向加速度計、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及后端專業(yè)分析軟件工具協(xié)同工作，完成對觀測點地震信號的監(jiān)測，為地震信號的形成和傳播機理的深入研究、地震的預(yù)警以及地震對大型結(jié)構(gòu)體健康狀況的影響評估等工作提供重要的技術(shù)手段和有力的數(shù)據(jù)支撐。

　　應(yīng)用方案

　　基于cRIO硬件平臺，本方案利用NI LabVIEW開發(fā)出一套適用于全天候地震監(jiān)測的多通道數(shù)字強震記錄儀。記錄儀可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式擴(kuò)展組成監(jiān)測臺網(wǎng)，為地震信號的監(jiān)測、分析及預(yù)報提供最底層的數(shù)據(jù)支持。

　　系統(tǒng)硬件組成

　　多通道數(shù)字強震記錄儀基于NI cRIO工業(yè)級測控硬件平臺構(gòu)建，提供16×3路加速度信號接入接口(含16路加速度計校準(zhǔn)信號輸出)、外觸發(fā)信號接口、GPS天線接口和以太網(wǎng)接口[3]。系統(tǒng)的機箱和控制器分別選用cRIO-9104和cRIO-9014;選用3塊cRIO-9205對16×3路加速度信號進(jìn)行采集;選用1塊cRIO-9403接入外觸發(fā)信號，并輸出16路加速度計校準(zhǔn)信號;選用1塊由聚星儀器研發(fā)的符合cRIO模塊接口標(biāo)準(zhǔn)的VISN GPS-C87進(jìn)行GPS信號接收和時基同步。具體的系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎和數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和狀態(tài)接口組成。在LabVIEW中實現(xiàn)時，這些不同的引擎和接口都是獨立運行的VI(虛擬儀器)，通過上層的動態(tài)調(diào)用來執(zhí)行。這樣可利用LabVIEW多線程的特性，避免各個模塊之間的相互阻塞干擾[4]。

　　數(shù)據(jù)采集模塊及相關(guān)處理工作是在cRIO-9104的FPGA上完成的，具有硬件級的定時和處理能力，主要完成以下任務(wù)。

　　1)由VISN GPS-C87通過與GPS同步，產(chǎn)生絕對時間和PPS秒脈沖信號;通過PLL數(shù)字鎖相環(huán)與PPS同步，產(chǎn)生cRIO-9205的過采樣時鐘，使得cRIO-9205的數(shù)據(jù)采集與GPS同步(時鐘同步誤差<1 s)，從而保證分布在不同位置的地震記錄儀能夠進(jìn)行高精度的同步采集。

　　2)cRIO-9205實際以指定采樣率24倍的過采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過一個24倍的數(shù)字降采樣濾波器可恢復(fù)到指定的采樣率，這樣做可以更好地避免信號混疊，并進(jìn)一步提高輸入通道的動態(tài)范圍。

　　3)cRIO-9403產(chǎn)生加速度計校準(zhǔn)信號，對加速度計進(jìn)行自動校準(zhǔn);同時接入外觸發(fā)數(shù)字信號，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)邏輯時，產(chǎn)生外觸發(fā)邏輯。

　　4)VISN GPS-C87產(chǎn)生的絕對時間，cRIO-9403產(chǎn)生的外觸發(fā)邏輯以及cRIO-9205經(jīng)過降采樣后的數(shù)據(jù)都送至數(shù)據(jù)采集引擎。

　　其余所有的引擎和接口都是在cRIO-9014 的RT上實現(xiàn)的，它們分別以確定的時間特性實時地完成特定的任務(wù)。數(shù)據(jù)采集引擎根據(jù)系統(tǒng)文件對數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行配置和調(diào)度，并將數(shù)據(jù)采集模塊傳送的絕對時間和降采樣后的信號數(shù)據(jù)打包成波形后和外觸發(fā)邏輯一并傳送給數(shù)據(jù)觸發(fā)引擎。