基于cRIO的多通道数字强震记录仪

　　应用背景

基于cRIO的多通道数字强震记录仪是针对重大工程、生命线工程、高层建筑和大型结构全天候实时地进行强震动监测及结构状态监测而设计的[1]，即可以作为单一监测系统独立工作，又可以通过光纤及以太网进行分布式扩展组成监测台网协同工作。数字强震记录仪与前端三向加速度计、通信网络系统以及后端专业分析软件工具协同工作，完成对观测点地震信号的监测，为地震信号的形成和传播机理的深入研究、地震的预警以及地震对大型结构体健康状况的影响评估等工作提供重要的技术手段和有力的数据支撑。

　　应用方案

基于cRIO硬件平台，本方案利用NI LabVIEW开发出一套适用于全天候地震监测的多通道数字强震记录仪。记录仪可通过网络进行分布式扩展组成监测台网，为地震信号的监测、分析及预报提供最底层的数据支持。

　　系统硬件组成

多通道数字强震记录仪基于NI cRIO工业级测控硬件平台构建，提供16×3路加速度信号接入接口(含16路加速度计校准信号输出)、外触发信号接口、GPS天线接口和以太网接口[3]。系统的机箱和控制器分别选用cRIO-9104和cRIO-9014;选用3块cRIO-9205对16×3路加速度信号进行采集;选用1块cRIO-9403接入外触发信号，并输出16路加速度计校准信号;选用1块由聚星仪器研发的符合cRIO模块接口标准的VISN GPS-C87进行GPS信号接收和时基同步。具体的系统硬件组成结构如图1所示。

　　系统软件结构

系统的软件结构如图2所示，由数据采集和通信两大部分组成。数据采集部分又可分为数据采集模块、数据采集引擎和数据触发引擎。通信部分则由数据接口、控制接口和状态接口组成。在LabVIEW中实现时，这些不同的引擎和接口都是独立运行的VI(虚拟仪器)，通过上层的动态调用来执行。这样可利用LabVIEW多线程的特性，避免各个模块之间的相互阻塞干扰[4]。

数据采集模块及相关处理工作是在cRIO-9104的FPGA上完成的，具有硬件级的定时和处理能力，主要完成以下任务。

1)由VISN GPS-C87通过与GPS同步，产生绝对时间和PPS秒脉冲信号;通过PLL数字锁相环与PPS同步，产生cRIO-9205的过采样时钟，使得cRIO-9205的数据采集与GPS同步(时钟同步误差<1 s)，从而保证分布在不同位置的地震记录仪能够进行高精度的同步采集。

2)cRIO-9205实际以指定采样率24倍的过采样率进行数据采集，再经过一个24倍的数字降采样滤波器可恢复到指定的采样率，这样做可以更好地避免信号混叠，并进一步提高输入通道的动态范围。

3)cRIO-9403产生加速度计校准信号，对加速度计进行自动校准;同时接入外触发数字信号，当达到触发逻辑时，产生外触发逻辑。

4)VISN GPS-C87产生的绝对时间，cRIO-9403产生的外触发逻辑以及cRIO-9205经过降采样后的数据都送至数据采集引擎。

其余所有的引擎和接口都是在cRIO-9014 的RT上实现的，它们分别以确定的时间特性实时地完成特定的任务。数据采集引擎根据系统文件对数据采集模块进行配置和调度，并将数据采集模块传送的绝对时间和降采样后的信号数据打包成波形后和外触发逻辑一并传送给数据触发引擎。

　　数据触发引擎对数据采集引擎传送的每通道实时信号波形数据进行复杂的触发逻辑判断。具体某一通道的触发流程如图3所示，实时数据经过可选的触发滤波器(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，从而判断产生该通道触发输出。这样可以有效消除噪声的影响，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外触发及网络触发的加权组合决定是否对触发选择的通道信号数据(触发数据)及相应的报警信息进行本地记录并传送至数据接口。触发的加权组合逻辑判断如图4所示。

数据接口将数据触发引擎传送的触发数据及相应的报警信息处理转换成miniSEED格式数据后，通过网络实时传输至上位机进行显示和报警。控制接口用于接收上位机的控制指令，对系统进行配置和工作状态的切换。状态接口负责将各引擎和接口的状态转换及错误信息进行汇总，并以广播的形式向上位机发送。

　　上位机程序界面

上位机与多通道数字强震记录仪通过网络进行连接，提供记录仪设置界面和信号显示及分析界面。记录仪设置界面如图5所示，包括通道选择及相关属性、对应传感器信息及属性、记录仪触发条件及属性等的查询与设置。信号显示及分析界面如图6所示，包括记录仪及GPS的工作状态指示、各通道触发数据及报警信息的实时显示(miniSEED格式数据解包)、信号数据的在线及离线时频域分析等功能。

　　结论

基于NI优秀的cRIO硬件平台和强大的Lab