为基于CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究

组成如图2所示。

cRIO可编程工业I/O系统具有嵌入式控制器和机箱，选配多种功能的信号采集卡，完全工业级的设计。

Ø 采用的cRIO控制器NI9014为嵌入式控制器。

Ø 采用的cRIO机箱NI-9104为8槽嵌入式机箱，具有-40-70°C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。

Ø 采用cRIO的4通道高速同步数据采集卡NI-9215对于单向和三向加速度计进行电压信号采集。

Ø NI-9401八通道高速数字I/O信号，100ns超高速数字输入输出，用于加速度同步。

Ø NI-9871标准RS485通讯卡，磁通量传感器采用磁弹仪进行采集，其输出为485信号，接入NI-9871。

Ø NI-9871标准RS485通讯卡，超声波三向风速仪直接输出485信号，接入标准RS485通讯卡NI-9871。

Ø NI-9203采用8通道模拟电流采集模块，压力变送器和温湿度仪输出信号分别为4-20mA电流，对于这类输出为标准电流信号的传感器接入NI-9203。

Ø 光纤光栅温度传感器与应变传感器采用光纤光栅传感网络分析仪进行采集，其输出为以太网信号。

本系统的监测项目梁体振动加速度需要较好的同步性和实时性，我们采用GPS精确授时技术、在每个采集站安装GPS时钟接收机，借助NI-9401 100ns超高速数字同步卡，通过软件方法和采集策略的配置保证加速度数据采集的同步性。

2. 数据采集传输与控制

采集站实现的采集工作于LabVIEW-RT实时系统环境下，在终端硬件的支持下主要完成对信号数据的采集和传输。用户一般不直接与其进行交互，但其提供一系列的标准接口和命令与用户所在的控制终端、监测终端和数据存储终端进行交互。采集站状态与控制如图3所示。

数据处理与控制系统服务器通过向cRIO采集站发送网络命令报文实现数据采集和控制功能：

1) 控制传感器启动、停止数据采集;

2) 查询传感器和采集单元、调理器、其它采集设备的工作状态;

3) 查看、修改采集单元和调理器的参数，标签等信息;

4) 通过修改配置文件上传至采集站实现采集任务、存储任务的配置和更改。

3.数据处理与控制模块

采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制模块(子系统)对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。本子系统由数据采集控制模块，数据分类、抽取模块，监测数据库及用户界面4部分组成。系统关系结构如图4所示。
 

　　图4 数据采集、处理与控制子系统关系结构图

 1) 反映结构状态的特征参数确定及其提取方案

结构状态特征参数是指能够反映结构特征的物理量，比如：挠度，应力，索力等;而传感器-采集系统所获得是传感器的读数，这些读数一般反映的是电信号。将传感器获得的电信号向结构特征参数转换是极其重要的过程。具体流程如图5所示。

a) 传感器电信号向测试物理量的转换

传感器电信号向测试物理量的转换通常利用标定证书提供的曲线或参数可以完成传感器读数向物理量的转换。

b) 测试物理量向结构特征参数的转换

测试物理量向结构特征参数的转换需要其它传感器的配合，需要进行数据的分析处理。

c) 各种参数有效数据的抽取

d) 数字滤波

对于静态数据需要进行活载及风振的过滤，经过过滤后的静态参数将仅包含温度对结构的影响，这种过滤一般可以采用低通滤波的方式，实现的时候可以采用幅值域分析的方式。对于动态参数则应考虑所需要测试的频率范围进行带通滤波。

　　图5 数据处理与控制软件流程图

　　2) 数据存储

a) 数据存储引擎将指定的数据按照时间标签存入数据文件。

每个数据包中包含一个测点(对应一个数据采通道)一段时间(定为1秒)连续采集数据的内容。数据文件的文件名包括以下信息：采样数据开始时间(小时-分-秒)、数据存储模式(数据触发说明)、采样率、数据点数、数据最大值、最小值、均值、方差。文件内容包括各点采样数据。

b) 数据文件的存储策略根据数据存储模式的不同而异，具体如下：

间断存储时，每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件;触发存储时，被触发的每个通道每段连续的信号数据保存为一个文件;人工连续存储时，如果某通道要保存的连续数据很大，根据数据文件的大小，可以每10分钟自动更换一个文件保存;根据硬盘空间的大小，自动删除部分(一周)以前的数据文件。

　　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