基于LabVIEW的多通道強震動監測與報警系統開發

CompactRIO，用戶可以快速、低成本、高度可靠地創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化性能上相媲美。
4、強震動監測與報警系統的軟件架構及其實現
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一致的接口與其交互命令、狀態和數據，方便用戶的使用。
整個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時間引擎、數據壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數據流協議傳輸引擎。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。
4.2采集終端的軟件實現
多通道強震數據采集器終端軟件主要采用LabVIEW 8.6開發，期間調用了C++語言開發的miniSEED地震數據包封裝的動態連接庫。數據采集在FPGA和實時(RT)控制器上實現，集成了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策略等極具挑戰性的功能。通信部分的接口中，由數據采集器直接將實時數據流壓縮打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震數據流的通信協議，發送到遠程的地震流服務器或上位機監控分析軟件，如圖3所示。
1) 數據采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務：
a)通過鎖相環(PLL)與GPS秒脈沖(PPS)同步，并生成采樣時鐘和觸發邏輯。保證數據采集與GPS同步。時鐘的同步精度1us，

這使得多個采集站間的數據同步成為可能。
b)模擬數據通過采集模塊(AI)以24倍的過采樣率采集下來，再經過一個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，并提供更高的動態范圍。
c)在需要時使用AO輸出標定信號，通過多路開關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時控制器(RT)上，主要完成以下任務：
a)GPS信號解析器(NMEA Parser)接收GPS信息，以提取當前時間和經緯度、高程等地理位置信息。
b)觸發邏輯模塊通過處理采集到的數據實現靈活有效的存儲觸發策略。

采集數據經可選的觸發濾波器(IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION和IIR-C)后進行閾值判定或長時/短時均值比(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。每個通道都有各自的權重，各通道判定的結果和內、外觸發及網絡觸發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。用戶可以通過FTP網絡接口收集記錄的數據。
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議，發送到遠程的NetSeisIP地震數據流服務器或上位機監控分析軟件。
3)通信部分實現的接口
a)數據接口(Data Interface) 用來將實時數據流發送到遠程數據中心。

b)控制接口(Control Interface)用于接收用戶的控制指令
c)調試接口(Debug Interface)用來將程序運行中的狀態信息和出錯信息發送給調試終端。
4.3上位機通信控制及分析軟件的實現
上位機通信控制及分析軟件主要由記錄儀設置、實時監測、數據管理、數據分析四大模塊組成，如圖 6所示。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；實時監測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設置、本地記錄、遠程記錄、標定信號、站點信息、系統狀態、連接狀態、GPS捕獲狀態、秒脈沖鎖定狀態、強震告警、關鍵參數實時計算及顯示等；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

遠程記錄、標定信號、站點信息、系統狀態、連接狀態、GPS捕獲狀態、秒脈沖鎖定狀態、強震告
警、關鍵參數實時計算及顯示等；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。數據分析可以實時或離線分析信號的時域指標（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對時域波形進行頻譜分析和時頻譜分析，計算出健康診斷和警報等關鍵參數信息。上位機程序由近100個子VI實現，圖7是實時監測主界面，圖8是配置界面。

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言LabVIEW，結合先進的cRIO硬件平臺，我們在很短的時間內就搭建了多通道強震動監測與報警平臺，較快地實現了地震動信號調理、數據采集、時鐘同步、數據壓縮傳輸、數據實時分析、數據離線分析、健康診斷、突發性震動破壞事件報警、網絡通信和儀器控制等復雜功能，大大縮短了程序的開發周期。“基于NI cRIO的多通道強震動監測與報警系統”，達到了高動態范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道的設計要求，并且結合了行業的應用，采用了創新的方法，在NI的平臺上實現了數據的壓縮和基于NetSeisIP協議傳輸。可以預見，在地震行業內，利用NI產品進行相關研發，將有廣闊的發展前景。