作者：葉春明，吳華燈，郭德順，謝劍波，黃文輝

挑戰：系統在高動態范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道設計上，具有一定的難度；在FPGA上，GPS同步、數字降采樣、標定信號的多路轉換控制和多種復雜的觸發策略的實現極具挑戰性；在數據接口中， miniSEED地震數據包的封裝和基于NetSeisIP地震數據流的通信又是一個難點；在數據分析上，既可以分析信號的時域指標，又可進行頻譜分析和時頻譜分析并綜合數據處理結果進行強震動報警。

應用方案：利用NI公司的cRIO模塊和LabVIEW 8.6集成開發軟件快速構建軟硬件平臺，進行多通道強震動監測與報警系統開發，實現地震動信號調理、數據采集、時鐘同步、數據壓縮傳輸、數據實時分析、數據離線分析、健康診斷、突發性震動破壞事件報警、網絡通信和儀器控制等功能。數據采集器的終端軟件采用Sever和Client兩種模式并行工作，在廣東虎門大橋的地震反應專用臺陣的應用中，一方面將采集到的36通道震動信號，實時封裝成miniSEED地震數據包，以Client方式，按照NetSeisIP協議發送到路橋公司的數據中心服務器，再由其它地震專業處理模塊進行互相關處理；另一方面，數據采集器作為Sever，監聽數據中心上位機通信分析軟件的各項功能請求并作出相關響應，實現對大橋的強震動監測與報警。

使用的產品：

LabVIEW 8.6軟件開發平臺

cRIO-9014嵌入式實時控制器

cRIO-9104 cRIO背板

cRIO-9205 模擬輸入模塊

cRIO-9263 模擬輸出模塊

cRIO-9401 高速數字IO模塊

介紹：

目前，從國外整套進口的地震反應專用臺陣的數據采集設備，其性價比和功能已經不能很好滿足國內的需要。通過多方選型，決定采用NI 的cRIO搭建硬件平臺，使用LabVIEW8.6自主進行多通道強震動監測與報警系統開發。

NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統，具有耐久較好、功耗較低等特點。借助NI cRIO，我們低成本、短周期、高可靠地開發了采集系統。系統中的數據觸發存儲功能更為強大和專業，支持地震業界標準的文件格式，全面滿足地震信號處理與分析的專業要求。在NI平臺上實現的地震業界通用的數據交換格式miniSEED的實時打包，并且基于NetSeisIP地震數據流的通信協議傳輸數據，更具創新性。

“基于NI cRIO的多通道強震動監測與報警系統”已經在廣東虎門大橋的地震反應專用臺陣上投入使用，初見成效。

1、項目背景

隨著我國經濟建設步伐的加快，地震對社會和經濟的影響更顯突出，建設高密度數字強震臺網、臺陣和系列配套軟硬件，已成為減輕地震災害的重要舉措，已受到政府高度重視。“十五”期間，國家在在21個國家地震重點監視防御區內建設了1160個固定自由場強震動觀測臺，在全國建設了活斷層影響、地震動衰減、場地地形影響、大型橋梁、水庫大壩、典型建筑結構等12個地震反應專用臺陣，但是這方面的數據采集設備幾乎全部依靠整套進口，承受著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和社會經濟的發展。

我們國家經過30年改革開放的飛速發展，修建了大量的重大工程、生命線工程（機場、港口、燃氣樞紐、供水管道、海洋平臺等）、超高層建筑（電視塔、商務中心等）和特殊結構（地鐵、新型橋梁、大壩、核電站等），而這些工程的地震反應專用臺陣的布設甚少，工程建筑結構物的健康診斷和突發性震動破壞報警技術沒有得到深層次的發展與應用，遠遠跟不上社會經濟發展的速度，滿足不了時代發展的需求。

我們非常迫切需要研制一套集振動信號檢測、數據采集、數據傳輸與分析、工程建筑結構物的健康診斷和突發性震動破壞事件報警技術等功能于一體的“多通道強震動監測與報警系統”。該系統的研制成功，將減輕費用的負擔，形成擁有自主知識產權的軟件產品，更好地滿足社會經濟發展的需要。通過部署這套系統到重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構上，將獲取豐富的結構抗震性能信息、提高結構分析和設計水平，將能實時地對工程建筑結構物的健康進行診斷。特別是在遇到突發性震動破壞事件時，能對重大工程、生命線工程實行監測報警，及時采取應急措施，進而減輕突發性破壞事件造成的經濟損失、人員傷亡。

“多通道強震動監測與報警系統”，將能加速科技成果轉化、形成產業化，為全國的重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構的抗震設防、健康診斷和破壞性震動事件預警提供更為準確和可靠的科學依據。

2、強震動監測與報警系統組成

“基于NI cRIO的多通道強震動監測與報警系統”是針對重大工程、生命線工程、超高層建筑和特殊結構遠程實時長期地開展強震動監測和分析其健康狀況而設計的，能夠以分布式布設，也可以作為單一監測系統獨立工作。系統由地震觀測站點、專線網絡和數據中心三大部分構成，如圖 1所示。地震觀測站點則由數據采集器、加速度計、供電設備和防雷設施組成，主要進行數據采集和預處理。專線網絡提供了地震觀測站點到數據中心的通信鏈路，使數據實時傳輸和交互通信有了便捷的途徑。數據中心主要部署了服務器、客戶端等設備。服務器加載了地震數據流模塊、數據存儲模塊、交互分析模塊等，負責實時數據的接收與對外分發、數據的存儲和交互分析。此外，服務器上還安裝了上位機通信控制及分析軟件，以Client的方式主動連接遠程的數據采集器，啟動第二路實時數據流的接收和數據的實時顯示、實時處理、實時警報。

圖1 強震動監測與報警系統組成

3、強震動監測與報警系統硬件平臺搭建

多通道強震動數據采集器采用NI cRIO數據采集模塊、GPS模塊和電源模塊搭建而成。其中cRIO由嵌入式實時控制器cRIO 9014、cRIO背板cRIO 9104、模擬輸入模塊cRIO 9205、模擬輸出模塊cRIO 9263和高速數字IO模塊cRIO 9401構成。如圖 2所示。

圖2 多通道強震動數據采集器內部結構

NI cRIO是一款高級嵌入式控制和采集系統，基于NI可重新配置I/O（RIO）技術。它不僅具備實時嵌入式處理器的低功率能耗功能，還兼有RIO FPGA芯片集的優越性能。借助NI CompactRIO，用戶可以快速、低成本、高度可靠地創建嵌入式控制或采集系統，該系統可與自定義設計的硬件電路在優化性能上相媲美。

4、強震動監測與報警系統的軟件架構及其實現

4.1 采集終端的系統軟件架構

采集終端統一的系統軟件架構可以使上位機能通過一致的接口與其交互命令、狀態和數據，方便用戶的使用。

整個數據采集終端的軟件由數據采集和通信兩大部分組成。數據采集又分為數據采集模塊、數據采集引擎、數據存儲引擎、GPS時間引擎、數據壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數據流協議傳輸引擎。通信部分則由數據接口、控制接口和調試接口組成，如圖3所示。

圖3采集終端的系統軟件結構框圖

1） 數據采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務：

a） 通過鎖相環（PLL）與GPS秒脈沖（PPS）同步，并生成采鐘和觸發邏輯。保證數據采集與GPS同步。時鐘的同步精度《1us，這使得多個采集站間的數據同步成為可能。

b） 模擬數據通過采集模塊（AI）以24倍的過采樣率采集下來，再經過一個24倍的數字降采樣濾波器（Down Sample）回復到正常采樣率，這樣可以更好的避免信號混疊，并提供更高的動態范圍。

c） 在需要時使用AO輸出標定信號，通過多路開關分配給傳感器以完成標定。

2）數據記錄與傳送部分運行在實時控制器（RT）上，主要完成以下任務：

a） GPS信號解析器（NMEA Parser）接收GPS信息，以提取當前時間和經緯度、高程等地理位置信息。

b） 觸發邏輯模塊通過處理采集到的數據實現靈活有效的存儲觸發策略。

采集數據經可選的觸發濾波器（IIR-A、CLASSIC STRONG MOTION和IIR-C）后進行閾值判定或長時/短時均值比（LTA/STA）判定。這可以有效的消除噪聲的影響、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內、外觸發及網絡觸發的加權組合決定了是否記錄數據。工作流程如圖4 、圖5 所示。用戶可以通過FTP網絡接口收集記錄的數據。

圖4 通道觸發流程

圖5 儀器觸發記錄

c） 數據傳輸模塊將采集到的數據用miniSEED格式壓縮打包，并按照NetSeisIP地震數據流的通信協議，發送到遠程的NetSeisIP地震數據流服務器或上位機監控分析軟件。

3）通信部分實現的接口

a） 數據接口（Data Interface）用來將實時數據流發送到遠程數據中心。

b） 控制接口（Control Interface）用于接收用戶的控制指令

c） 調試接口（Debug Interface）用來將程序運行中的狀態信息和出錯信息發送給調試終端。

4.3 上位機通信控制及分析軟件的實現

上位機通信控制及分析軟件主要由記錄儀設置、實時監測、數據管理、數據分析四大模塊組成，如圖 6所示。

圖 6上位機程序主界面

其中記錄儀設置包括常規、數據采集、通道、事件記錄信息的設置等；實時監測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設置、本地記錄、遠程記錄、標定信號、站點信息、系統狀態、連接狀態、GPS捕獲狀態、秒脈沖鎖定狀態、強震告警、關鍵參數實時計算及顯示等；數據管理包括數據采集器的數據回收及數據刪除、本地數據的更新及刪除等。數據分析可以實現遠程記錄、標定信號、站點信息、系統狀態、連接狀態、GPS捕獲狀態、秒脈沖鎖定狀態、強震告警、關鍵參數實時計算及顯示等；數據管理包括數據采集器的數據回收及數據刪除、本地數據的更新及刪除等。數據分析可以實時或離線分析信號的時域指標（最大值、最小值、峰峰值、RMS值、平均值等），又可對時域波形進行頻譜分析和時頻譜分析，計算出健康診斷和警報等關鍵參數信息。上位機程序由近100個子VI實現，圖7是實時監測主界面，圖8是配置界面。

圖7 實時監測主界面

圖8 數據采集器配置界面

結論

借助NI公司功能強大、高效并且容易使用的圖形化編程語言LabVIEW，結合先進的cRIO硬件平臺，我們在很短的時間內就搭建了多通道強震動監測與報警平臺，較快地實現了地震動信號調理、數據采集、時鐘同步、數據壓縮傳輸、數據實時分析、數據離線分析、健康診斷、突發性震動破壞事件報警、網絡通信和儀器控制等復雜功能，大大縮短了程序的開發周期。“基于NI cRIO的多通道強震動監測與報警系統”，達到了高動態范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道的設計要求，并且結合了行業的應用，采用了創新的方法，在 NI的平臺上實現了數據的壓縮和基于NetSeisIP協議傳輸。可以預見，在地震行業內，利用NI產品進行相關研發，將有廣闊的發展前景。

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