基于NI cRIO的多通道强震动监测与报警系统开发

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由嵌入式实时控制器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

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控制器(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。


图 6上位机程序主界面

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。数据分析可以实现远程记录、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7是实时监测主界面，图8是配置界面。


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。

作者：广东省地震局 叶春明（高级工程师）吴华灯（工程师）郭德顺（工程师）谢剑波（高级工程师）黄文辉（高级工程师）
本文获NI公司2009 案例征文大赛最高成就奖及网络人气奖