基于cRIO的多通道數字強震記錄儀

應用背景

基于cRIO的多通道數字強震記錄儀是針對重大工程、生命線工程、高層建筑和大型結構全天候實時地進行強震動監測及結構狀態監測而設計的。即可以作為單一監測系統獨立工作，又可以通過光纖及以太網進行分布式擴展組成監測臺網協同工作。數字強震記錄儀與前端三向加速度計、通信網絡系統以及后端專業分析軟件工具協同工作，完成對觀測點地震信號的監測，為地震信號的形成和傳播機理的深入研究、地震的預警以及地震對大型結構體健康狀況的影響評估等工作提供重要的技術手段和有力的數據支撐。

應用方案

基于cRIO硬件平臺，本方案利用NI LabVIEw開發出一套適用于全天候地震監測的多通道數字強震記錄儀。記錄儀可通過網絡進行分布式擴展組成監測臺網，為地震信號的監測、分析及預報提供最底層的數據支持。

系統硬件組成

多通道數字強震記錄儀基于NIcRIO工業級測控硬件平臺構建，提供16×3路加速度信號接人接口(含16路加速度計校準信號輸出)、外觸發信號接口、GPS天線接口和以太網接口。系統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路加速度信號進行采集：選用l塊cRIO-9403接入外觸發信號，并輸出16路加速度計校準信號：選用1塊由聚星儀器研發的符合cRIO模塊接口標準的VISN GPS-C87進行GPS信號接收和時基同步。具體的系統硬件組成結構如圖1所示。

系統軟件結構

系統的軟件結構如圖2所示，由數據采集和通信兩大部分組成。數據采集部分又可分為數據采集模塊、數據采集引擎和數據觸發引擎。通信部分則由數據接口、控制接口和狀態接口組成。在LabVIEW中實現時，這些不同的引擎和接口都是獨立運行的VI(虛擬儀器)，通過上層的動態調用來執行。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。

數據采集模塊及相關處理工作是在cRIO-9104的FPG Al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。

1)由VISN GPS—C87通過與GPS同步，產生絕對時間和PPs秒脈沖信號：通過PLL數字鎖相環與PPS同步，產生cKIO－9205的過采樣時鐘，使得cRIO-9205的數據采集與GPS同步(時鐘同步誤差<1s)，從而保證分布在不同位置的地震記錄儀能夠進行高精度的同步采集。

2)cRIO-9205實際以指定采樣率24倍的過采樣率進行數據采集，再經過一個24倍的數字降采樣濾波器可恢復到指定的采樣率，這樣做可以更好地避免信號混疊，并進一步提高輸入通道的動態范圍。

3)cRIO-9403產生加速度計校準信號，對加速度計進行自動校準：同時接入外觸發數字信號，當達到觸發邏輯時，產生外觸發邏輯。

4)VISN GPS-C87產生的絕對時間。cRIO-9403產生的外觸發邏輯以及cRIO-9205經過降采樣后的數據都送至數據采集引擎。

其余所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上實現的，它們分別以確定的時間特性實時地完成特定的任務。數據采集引擎根據系統文件對數據采集模塊進行配置和調度，并將數據采集模塊傳送的絕對時間和降采樣后的信號數據打包成波形后和外觸發邏輯一并傳送給數據觸發引擎。

數據觸發引擎對數據采集引擎傳送的每通道實時信號波形數據進行復雜的觸發邏輯判斷。具體某一通道的觸發流程如圖3所示，宴時數據經過可選的觸發濾波器(IIR-A、CLASSICSTRONG MOTIoN和IIR－c)后進行閾值判定或長時／短肘均值比(LTA／STA)判定、從而判斷產生該通道觸發輸出。這樣可以有效消除噪聲的影響，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外觸發及網絡觸發的加權組合決定是否對觸發選擇的通道信號數據(觸發數據)及相應的報警信息進行本地記錄并傳送至數據接口。觸發的加權組合邏輯判斷如圖4所示。

數據接口將數據觸發引擎傳送的觸發數據及相應的報警信息處理轉換成miniSEED格式數據后，通過網絡實-時傳輸至上位機進行顯示和報警。控制接口用于接收上位機的控制指令、對系統進行配置和工作狀態的切換。狀態接口負責將各引擎和接口的狀態轉換及錯誤信息進行匯總，并以廣播的形式向上位機發送。

上位機程序界面

上位機與多通道數字強震記錄儀通過網絡進行連接，提供記錄儀設置界面和信號顯示及分析界面。記錄儀設置界面如圖s所示，包括通道選擇及相關屬性、對應傳感器信息及屬性、記錄儀觸發條件及屬性等的查詢與設置。信號顯示及分析界面如圖6所示，包括記錄儀及GPS的工作狀態指示、各通道觸發數據及報警信息的實時顯示(miniSEED格式數據解包)、信號數據的在線及離線時頻域分析等功能。

結論

基于NI優秀的cRIO硬件平臺和強大的LabVIEW軟件平臺，我們在短肘間內成功開發出集不間斷數據采集、強震信號記錄與宴時傳輸、強震信號預警等功能于一體的多通道數字強震記錄儀，并成功運用于多個大型結構體的強震環境監測。以往此類設備幾乎全部依靠整套進口，昂貴的費用負擔和技術約束在一定程度上制約了我國防震減災工作的進一步發展。基于cRIO的多通道數字強震記錄儀的成功推出和應用，填補了國內地震監測領域的一項技術空白，在各類性能指標達到國際同類先進技術產品的同時，降低了應用成本，形成了自主知識產權的軟件及系統產品。