基于CompactRIO的大型橋梁結構安全監測系統研究
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cRIO可編程工業I/O系統具有嵌入式控制器和機箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業級的設計。
* 采用的cRIO控制器NI9014為嵌入式控制器。
* 采用的cRIO機箱NI-9104為8槽嵌入式機箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。
* 采用cRIO的4通道高速同步數據采集卡NI-9215對于單向和三向加速度計進行電壓信號采集。
* NI-9401八通道高速數字I/O信號，100ns超高速數字輸入輸出，用于加速度同步。
* NI-9871標準RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進行采集，其輸出為485信號，接入NI-9871。
* NI-9871標準RS485通訊卡，超聲波三向風速儀直接輸出485信號，接入標準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分別為4-20mA電流，對于這類輸出為標準電流信號的傳感器接入NI-9203。
* 光纖光柵溫度傳感器與應變傳感器采用光纖光柵傳感網絡分析儀進行采集，其輸出為以太網信號。
本系統的監測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實時性，我們采用GPS精確授時技術、在每個采集站安裝GPS時鐘接收機，借助NI-9401 100ns超高速數字同步卡，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數據采集的同步性。
2.數據采集傳輸與控制
采集站實現的采集工作于LabVIEW-RT實時系統環境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數據的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進行交互，但其提供一系列的標準接口和命令與用戶所在的控制終端、監測終端和數據存儲終端進行交互。采集站狀態與控制如圖3所示。
數據處理與控制系統服務器通過向cRIO采集站發送網絡命令報文實現數據采集和控制功能：
1) 控制傳感器啟動、停止數據采集；
2) 查詢傳感器和采集單元、調理器、其它采集設備的工作狀態；
3) 查看、修改采集單元和調理器的參數，標簽等信息；
4) 通過修改配置文件上傳至采集站實現采集任務、存儲任務的配置和更改。
圖3 數據采集站狀態與控制界面
3. 數據處理與控制模塊
采集系統收集到的數據必須經過數據處理與控制模塊（子系統）對其進行預處理方能夠提交給后續子系統使用。本子系統由數據采集控制模塊，數據分類、抽取模塊，監測數據庫及用戶界面4部分組成。系統關系結構如圖4所示。
圖4 數據采集、處理與控制子系統關系結構圖
1) 反映結構狀態的特征參數確定及其提取方案
結構狀態特征參數是指能夠反映結構特征的物理量，比如：撓度，應力，索力等；而傳感器－采集系統所獲得是傳感器的讀數，這些讀數一般反映的是電信號。將傳感器獲得的電信號向結構特征參數轉換是極其重要的過程。具體流程如圖5所示。
a) 傳感器電信號向測試物理量的轉換
傳感器電信號向測試物理量的轉換通常利用標定證書提供的曲線或參數可以完成傳感器讀數向物理量的轉換。
b) 測試物理量向結構特征參數的轉換
測試物理量向結構特征參數的轉換需要其它傳感器的配合，需要進行數據的分析處理。
c) 各種參數有效數據的抽取
d) 數字濾波
對于靜態數據需要進行活載及風振的過濾，經過過濾后的靜態參數將僅包含溫度對結構的影響，這種過濾一般可以采用低通濾波的方式，實現的時候可以采用幅值域分析的方式。對于動態參數則應考慮所需要測試的頻率范圍進行帶通濾波。
圖5 數據處理與控制軟件流程圖
2) 數據存儲
a) 數據存儲引擎將指定的數據按照時間標簽存入數據文件。
每個數據包中包含一個測點（對應一個數據采通道）一段時間（定為1秒）連續采集數據的內容。數據文件的文件名包括以下信息：采樣數據開始時間（小時-分-秒）、數據存儲模式（數據觸發說明）、采樣率、數據點數、數據最大值、最小值、均值、方差。文件內容包括各點采樣數據。
b) 數據文件的存儲策略根據數據存儲模式的不同而異，具體如下：
間斷存儲時，每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；觸發存儲時，被觸發的每個通道每段連續的信號數據保存為一個文件；人工連續存儲時，如果某通道要保存的連續數據很大，根據數據文件的大小，可以每10分鐘自動更換一個文件保存；根據硬盤空間的大小，自動刪除部分（一周）以前的數據文件。
四．軟件實現與現場成果
1. 系統軟件結構
軟件系統主要分為兩個部分：
1） 數據采集軟件（下位機FPGA部分）
作為基于LabVIEW的RT實時系統的FPGA下位機程序，能夠實時進行大量數據的采集與存儲和控制任務，主要實現加速度、風、溫度等信號的采樣與降采樣和振動特征值計算、GPS對時、定時存儲、采集通道設定等功能。該部分程序燒寫在FPGA硬件模塊上，由FPGA硬件進行實現，經過一系列的轉換，最終被編譯為比特流文件，并下載到FPGA模塊上運行。多個采集站采用統一軟件架構，實現采集任務的模塊化和規范化，多機箱間的精確的同步采集，同時實現數據的本地存儲。
2） 數據處理與控制軟件（上位機部分）
數據傳輸、處理與控制軟件是基于LabVIEW8.2平臺開發的，數據處理與控制工作站軟件平臺是基于LabVIEW8.2平臺下的狀態機機制，通過TCP協議實時接收下位機的原始數據與設備工作站的工作狀態，按照指定報文格式進行數據的接收解譯與命令的發送。同時，使用LabVIEW自帶的信號分析、數字濾波和統計分析等子VI，完成結構狀態的特征參數提取工作。數據首先采用自定義結構體包裝，通過queue隊列形式完成各VI之間的數據交互，隊列的先進先出機制有效的解決的數據完整性和穩定性。
3) 電力監控部分軟件
軟件平臺采用可視性強、界面豐富的NI LabVIEW平臺和數據分析技術，采用標準的數據接口。電力監測軟件為用戶提供一個可視化的監測界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解現場傳感器、UPS、磁彈儀、采集器的運行狀態，并根據數據分析的結果進行運行狀態的調整和負荷的控制。用戶通過查詢歷史數據庫，可以調出電力設備的歷史運行狀態曲線，并完成上位機對應的數據管理功能。界面如圖6所示。
圖6 采集站電力監控界面
2.數據處理與控制軟件界面
數據傳輸、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、存儲任務管理模塊、采集任務管理模塊、傳感器狀態模塊、網絡狀態識別模塊、數據下載與入庫模塊、電力監控模塊、用戶管理模塊、系統幫助模塊。界面如圖7所示。
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