基于CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究

四．软件实现与现场成果

1.    系统软件结构

软件系统主要分为两个部分：

1）    数据采集软件（下位机FPGA部分）

作为基于LabVIEW的RT实时系统的FPGA下位机程序，能够实时进行大量数据的采集与存储和控制任务，主要实现加速度、风、温度等信号的采样与降采样和振动特征值计算、GPS对时、定时存储、采集通道设定等功能。该部分程序烧写在FPGA硬件模块上，由FPGA硬件进行实现，经过一系列的转换，最终被编译为比特流文件，并下载到FPGA模块上运行。多个采集站采用统一软件架构，实现采集任务的模块化和规范化，多机箱间的精确的同步采集，同时实现数据的本地存储。

2）    数据处理与控制软件（上位机部分）

数据传输、处理与控制软件是基于LabVIEW8.2平台开发的，数据处理与控制工作站软件平台是基于LabVIEW8.2平台下的状态机机制，通过TCP协议实时接收下位机的原始数据与设备工作站的工作状态，按照指定报文格式进行数据的接收解译与命令的发送。同时，使用LabVIEW自带的信号分析、数字滤波和统计分析等子VI，完成结构状态的特征参数提取工作。数据首先采用自定义结构体包装，通过queue队列形式完成各VI之间的数据交互，队列的先进先出机制有效的解决的数据完整性和稳定性。

3)    电力监控部分软件

软件平台采用可视性强、界面丰富的NI LabVIEW平台和数据分析技术，采用标准的数据接口。电力监测软件为用户提供一个可视化的监测界面，让用户直观、方便、快捷地了解现场传感器、UPS、磁弹仪、采集器的运行状态，并根据数据分析的结果进行运行状态的调整和负荷的控制。用户通过查询历史数据库，可以调出电力设备的历史运行状态曲线，并完成上位机对应的数据管理功能。界面如图6所示。


图6 采集站电力监控界面

2.  数据处理与控制软件界面

数据传输、处理与控制软件主要包括10大功能模块：登录模块、采集站配置模块、存储任务管理模块、采集任务管理模块、传感器状态模块、网络状态识别模块、数据下载与入库模块、电力监控模块、用户管理模块、系统帮助模块。界面如图7所示。


图7 采集站状态及控制模块界面

3.  数据实时展示与预警软件界面

承台地震动监测项目实时显示、预警软件子模块界面如图8。除了上述各个预警软件子模块共有的操作按钮和显示控件外，该模块还有从数据处理与控制服务器传过来的1秒钟数据包波形图、安装截面位置示意图、预警灯和信息，以及当前1秒钟加速度时程曲线和自功率谱曲线图。


图8地震动监测模块

偏位监测项目实时显示、预警软件子模块界面如图9。除了各个预警软件子模块共有的操作按钮和显示控件外，该模块还有从数据处理与控制服务器传过来的1秒钟数据包波形图、安装截面位置示意图、预警灯和信息，以及当前纵横桥向当前的偏位情况实时显示。


图9 偏位子模块界面

4. 现场成果

安装在现场的工作站一共有三个，主要完成就进传感器的数据收集、整理与传输。CRIO采集模块首先对安装在大桥上的各种类型传感器的信号完成必要的预调理后按一定的采样频率进行模数转换（A/D），同时在数据采集站计算机上保存，最后各种类型的传感器的模拟或数字信号经预处理、采集后从现场的数据采集站通过工业以太网有线传送至位于管理监控中心的数据处理与控制计算机上。具体安装如图10所示。
  

图10 现场工作站实拍图片

五．结论

从技术角度去讲，NI CompactRIO系统和LabVIEW开发环境无缝连接使用户轻松的通过图形化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集应用，大大降低了系统开发、 生产的技术风险。LabVIEW 强大的数据采集和信号处理功能极大地节省了采集终端软件的开发时间，在LabVIEW RT和LabVIEW FPGA模块的配合下使得采集终端能够实时高质量地完成数据采集、信号处理、数据传送和数据存储的工作，为整个大桥结构安全监测系统提供灵活、强大的底层数据支持。

同时，恶劣的海洋环境及桥面路况影响，对NI CompactRIO系统的环境适应性也提出了很高的要求。事实证明，NI CompactRIO系统设计精巧而坚固，满足苛刻的工业级指标，完全适用于对可靠性有严格要求的复杂恶劣海洋环境中应用。

在国内首次将LabVIEW和NI的分布式数据采集设备cRIO系列引入到桥梁结构安全监测和结构分析中去，结合先进的数据处理和信号分析技术，为大跨径特大型桥梁综合监测系统有关数据采集传输预处理与控制的建立提供了一套完备而系统的方案，在桥梁健康监测的若干问题研究中取得的一些创新性成果，对桥梁综合监测系统的发展有着重要的意义。

NI的分布式数据采集设备cRIO系列在厦门集美大桥结构安全监测系统中的实际应用是cRIO平台在国内结构安全监测领域的首次成功案例，截至目前运行正常，工作稳定，得到业内的一致好评。事实证明，NI cRIO平台是构建该采集终端的理想解决方案之一，对接下来的耗资700亿港珠澳大桥系统实施具有很强的示范性和参考价值。

NI公司供稿
本文为第十一届NI虚拟仪器技术应用方案有奖竞赛LabVIEW特别奖。关注2011年竞赛，请点击http://digital.ni.com/worldwide/ ... da448256ff2002e284f