基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统开发

挑战：

      系统在高动态范围、高计时精度、高频谱纯度和多通道设计上，具有一定的难度；在FPGA上，GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略的实现极具挑战性；在数据接口中， miniSEED地震数据包的封装和基于NetSeisIP地震数据流的通信又是一个难点；在数据分析上，既可以分析信号的时域指标，又可进行频谱分析和时频谱分析并综合数据处理结果进行强震动报警。

应用方案：

      利用NI公司的cRIO模块和LabVIEW 8.6集成开发软件快速构建软硬件平台，进行多通道强震动监测与报警系统开发，实现地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等功能。数据采集器的终端软件采用Sever和Client两种模式并行工作，在广东虎门大桥的地震反应专用台阵的应用中，一方面将采集到的36通道震动信号，实时封装成miniSEED地震数据包，以Client方式，按照NetSeisIP协议发送到路桥公司的数据中心服务器，再由地震专业处理模块进行互相关处理；另一方面，数据采集器作为Sever，数据中心上位机通信分析软件的各项功能请求并作出相关响应，实现对大桥的强震动监测与报警。

使用的产品：
LabVIEW 8.6软件开发平台
cRIO-9014嵌入式实时
cRIO-9104 cRIO背板
cRIO-9205 模拟输入模块
cRIO-9263 模拟输出模块
cRIO-9401 高速数字IO模块

介绍：

      目前，从国外整套进口的地震反应专用台阵的数据采集设备，其性价比和功能已经不能很好满足国内的需要。通过多方选型，决定采用NI 的cRIO搭建硬件平台，使用LabVIEW8.6自主进行多通道强震动监测与报警系统开发。
      NI cRIO是一款高级嵌入式控制和采集系统，具有耐久较好、功耗较低等特点。借助NI cRIO，我们低成本、短周期、高可靠地开发了采集系统。系统中的数据触发存储功能更为强大和专业，支持地震业界标准的文件格式，全面满足地震信号处理与分析的专业要求。在NI平台上实现的地震业界通用的数据交换格式miniSEED的实时打包，并且基于NetSeisIP地震数据流的通信协议传输数据，更具创新性。

“基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统”已经在广东虎门大桥的地震反应专用台阵上投入使用，初见成效。

图1 强震动监测与报警系统组成

正文

1、项目背景

      随着我国经济建设步伐的加快，地震对社会和经济的影响更显突出，建设高密度数字强震台网、台阵和系列配套软硬件，已成为减轻地震灾害的重要举措，已受到政府高度重视。“十五”期间，国家在在21个国家地震重点监视防御区内建设了1160个固定自由场强震动观测台，在全国建设了活断层影响、地震动衰减、场地地形影响、大型桥梁、水库大坝、典型建筑结构等12个地震反应专用台阵，但是这方面的数据采集设备几乎全部依靠整套进口，承受着昂贵的费用负担和技术约束，在一定程度上制约了我国防震减灾和社会经济的发展。
      我们国家经过30年改革开放的飞速发展，修建了大量的重大工程、生命线工程(机场、港口、燃气枢纽、供水管道、海洋平台等)、超高层建筑(电视塔、商务中心等)和特殊结构(地铁、新型桥梁、大坝、核电站等)，而这些工程的地震反应专用台阵的布设甚少，工程建筑结构物的健康诊断和突发性震动破坏报警技术没有得到深层次的发展与应用，远远跟不上社会经济发展的速度，满足不了时代发展的需求。

      我们非常迫切需要研制一套集振动信号检测、数据采集、数据传输与分析、工程建筑结构物的健康诊断和突发性震动破坏事件报警技术等功能于一体的“多通道强震动监测与报警系统”。该系统的研制成功，将减轻费用的负担，形成拥有自主知识产权的软件产品，更好地满足社会经济发展的需要。通过部署这套系统到重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构上，将获取丰富的结构抗震性能信息、提高结构分析和设计水平，将能实时地对工程建筑结构物的健康进行诊断。特别是在遇到突发性震动破坏事件时，能对重大工程、生命线工程实行监测报警，及时采取应急措施，进而减轻突发性破坏事件造成的经济损失、人员伤亡。
      “多通道强震动监测与报警系统”，将能加速科技成果转化、形成产业化，为全国的重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构的抗震设防、健康诊断和破坏性震动事件预警提供更为准确和可靠的科学依据。

2、强震动监测与报警系统组成

      “基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统”是针对重大工程、生命线工程、超高层建筑和特殊结构远程实时长期地开展强震动监测和分析其健康状况而设计的，能够以分布式布设，也可以作为单一监测系立工作。系统由地震观测站点、专线网络和数据中心三大部分构成，如图 1所示。地震观测站点则由数据采集器、加速度计、供电设备和防雷设施组成，主要进行数据采集和预处理。专线网络提供了地震观测站点到数据中心的通信链路，使数据实时传输和交互通信有了便捷的途径。数据中心主要部署了服务器、客户端等设备。服务器加载了地震数据流模块、数据存储模块、交互分析模块等，负责实时数据的接收与对外分发、数据的存储和交互分析。此外，服务器上还安装了上位机通信控制及分析软件，以Client的方式主动连接远程的数据采集器，启动第二路实时数据流的接收和数据的实时显示、实时处理、实时警报。

3、强震动监测与报警系统硬件平台搭建

      多通道强震动数据采集器采用NI cRIO数据采集模块、GPS模块和电源模块搭建而成。其中cRIO由嵌入式实时cRIO 9014、cRIO背板cRIO 9104、模拟输入模块cRIO 9205、模拟输出模块cRIO 9263和高速数字IO模块cRIO 9401构成。如图 2所示。

图2 多通道强震动数据采集器内部结构

      NI cRIO是一款高级嵌入式控制和采集系统，基于NI可重新配置I/O(RIO)技术。它不仅具备实时嵌入式处理器的低功率能耗功能，还兼有RIO FPGA芯片集的优越性能。借助NI CompactRIO，用户可以快速、低成本、高度可靠地创建嵌入式控制或采集系统，该系统可与自定义设计的硬件电路在优化性能上相媲美。

4、强震动监测与报警系统的软件架构及其实现

4.1 采集终端的系统软件架构
      采集终端统一的系统软件架构可以使上位机能通过一致的接口与其交互命令、状态和数据，方便用户的使用。
整个数据采集终端的软件由数据采集和通信两大部分组成。数据采集又分为数据采集模块、数据采集引擎、数据存储引擎、GPS时间引擎、数据压缩封装引擎、基于NetSeisIP地震数据流协议传输引擎。通信部分则由数据接口、控制接口和调试接口组成，如图3所示。

图3采集终端的系统软件结构框图

4.2 采集终端的软件实现
      多通道强震数据采集器终端软件主要采用LabVIEW 8.6开发，期间调用了C++语言开发的miniSEED地震数据包封装的动态连接库。数据采集在FPGA和实时(RT)上实现，集成了GPS同步、数字降采样、标定信号的多路转换控制和多种复杂的触发策略等极具挑战性的功能。通信部分的接口中，由数据采集器直接将实时数据流压缩打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震数据流的通信协议，发送到远程的地震流服务器或上位机监控分析软件。
1) 数据采集部分运行在FPGA上，主要完成以下任务：
a) 通过锁相环(PLL)与GPS秒脉冲(PPS)同步，并生成采样时钟和触发逻辑。保证数据采集与GPS同步。时钟的同步精度<1us，
这使得多个采集站间的数据同步成为可能。
b) 模拟数据通过采集模块(AI)以24倍的过采样率采集下来，再经过一个24倍的数字降采样滤波器(Down Sample)回复到正常采样率，这样可以更好的避免信号混叠，并提供更高的动态范围。

c) 在需要时使用AO输出标定信号，通过多路开关分配给传感器以完成标定。
2)数据记录与传送部分运行在实时(RT)上，主要完成以下任务：
a) GPS信号解析器(NMEA Parser)接收GPS信息，以提取当前时间和经纬度、高程等地理位置信息。
b) 触发逻辑模块通过处理采集到的数据实现灵活有效的存储触发策略。
采集数据经可选的触发滤波器(IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION和IIR-C)后进行阈值判定或长时/短时均值比(LTA/STA)判定。这可以有效的消除噪声的影响、改善记录器的灵敏度。每个通道都有各自的权重，各通道判定的结果和内、外触发及网络触发的加权组合决定了是否记录数据。工作流程如图4 、图5 所示。用户可以通过FTP网络接口收集记录的数据。

图4 通道触发流程

图5 仪器触发记录

c) 数据传输模块将采集到的数据用miniSEED格式压缩打包，并按照NetSeisIP地震数据流的通信协议，发送到远程的NetSeisIP地震数据流服务器或上位机监控分析软件。

3)通信部分实现的接口
a) 数据接口(Data Interface) 用来将实时数据流发送到远程数据中心。
b) 控制接口(Control Interface)用于接收用户的控制指令
c) 调试接口(Debug Interface)用来将程序运行中的状态信息和出错信息发送给调试终端。

4.3 上位机通信控制及分析软件的实现

      上位机通信控制及分析软件主要由记录仪设置、实时监测、数据管理、数据分析四大模块组成，如图 6所示。其中记录仪设置包括常规、数据采集、通道、事件记录信息的设置等；实时监测包括波形的实时显示、通道表示、本地记录设置、本地记录、远程记录、标定信号、站点信息、系统状态、连接状态、GPS捕获状态、秒脉冲锁定状态、强震告警、关键参数实时计算及显示等；数据管理包括数据采集器的数据回收及数据删除、本地数据的更新及删除等。数据分析可以实远程记录、标定信号、站点信息、系统状态、连接状态、GPS捕获状态、秒脉冲锁定状态、强震告警、关键参数实时计算及显示等；数据管理包括数据采集器的数据回收及数据删除、本地数据的更新及删除等。数据分析可以实时或离线分析信号的时域指标（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可对时域波形进行频谱分析和时频谱分析，计算出健康诊断和警报等关键参数信息。上位机程序由近100个子VI实现。

图 6上位机程序主界面

图7 实时监测主界面

图8 数据采集器配置界面

结论

      借助NI公司功能强大、高效并且容易使用的图形化编程语言LabVIEW，结合先进的cRIO硬件平台，我们在很短的时间内就搭建了多通道强震动监测与报警平台，较快地实现了地震动信号调理、数据采集、时钟同步、数据压缩传输、数据实时分析、数据离线分析、健康诊断、突发性震动破坏事件报警、网络通信和仪器控制等复杂功能，大大缩短了程序的开发周期。“基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统”，达到了高动态范围、高计时精度、高频谱纯度和多通道的设计要求，并且结合了行业的应用，采用了创新的方法，在NI的平台上实现了数据的压缩和基于NetSeisIP协议传输。可以预见，在地震行业内，利用NI产品进行相关研发，将有广阔的发展前景。