摘要：利用先進(jìn)的自動化測試測量技術(shù)構(gòu)建分布式的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端，對大橋的各類環(huán)境數(shù)據(jù)、靜/動態(tài)響應(yīng)等信號進(jìn)行精確的同步采集和數(shù)據(jù)的本地存儲。為整個(gè)大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)提供最底層的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：全天候監(jiān)測；分布式采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)記錄儀；維護(hù)/現(xiàn)場測試

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，監(jiān)測系統(tǒng)包含多臺基于cRIO的數(shù)據(jù)采集終端，它們分布在大橋的不同位置。數(shù)據(jù)采集終端的主要任務(wù)是按照控制終端的要求，在各類傳感器的配合下采集大橋的各類環(huán)境數(shù)據(jù)、靜/動態(tài)響應(yīng)等信號，進(jìn)而將這些信號數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)視終端：另一方面按指定的數(shù)據(jù)存儲策略將部分信號數(shù)據(jù)以文本文件的形式存儲在本地，以供數(shù)據(jù)存儲終端下載并利用數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一管理信號數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件組成

不同數(shù)據(jù)采集終端的具體硬件配置都不一樣，但是硬件模塊類型一致。除了機(jī)箱cRIO-9104和嵌入式控制器cRIO-9014外，每個(gè)采集終端都配有cRIO－9401和cRIO－9215，在GPS接收機(jī)的支持下，對大橋的振動信號進(jìn)行GPs精確同步采集：cRIO，9215和cRIO-9203對大橋的準(zhǔn)靜態(tài)電壓、電流信號進(jìn)行采集：cRIO－9871對部分傳感器和調(diào)理器的RS-485串口輸出信號進(jìn)行采集：同時(shí)cRIO－9401對部分?jǐn)?shù)字脈沖信號(如雨量計(jì)輸出信號)進(jìn)行采集和計(jì)數(shù)。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

采集終端統(tǒng)一的軟件架構(gòu)可以使上位機(jī)能通過一致的接口與其交互命令、狀態(tài)與數(shù)據(jù)，方便用戶的使用：也可以極大地提高代碼的重用性，使所有終端使用同一套代碼(不同的終端僅在FPGA程序和配置文件信息上有所區(qū)別)，方便開發(fā)人員維護(hù)代碼。采集終端軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端的軟件由數(shù)據(jù)采集和通信兩大部分組成。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲引擎、GPS時(shí)間引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成。在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些不同的引擎和接口都是獨(dú)立運(yùn)行的Ⅵ，通過上層的動態(tài)調(diào)用來執(zhí)行。這樣可利用LabVIEW多線程的特性，避免各個(gè)模塊之間的相互阻塞干擾。這些所有的引擎和接口都是在cRIO-9014的RT上實(shí)現(xiàn)的，它們分別以確定的時(shí)間特性實(shí)時(shí)地完成特定的任務(wù)。cRIO-9401、cRIO-9215、cRIO-9203和cRIO-9871等模塊對相應(yīng)信號的數(shù)據(jù)采集是在cRIO-9104的FPGA上完成的，具有硬件級的同步、定時(shí)和觸發(fā)特性。它們將采集到的數(shù)據(jù)通過DMA傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進(jìn)行降采樣、濾波等預(yù)處理。

不同數(shù)據(jù)采集終端的硬件配置都有所不同，所采集的物理信號也各不一樣，再考慮到將來增加、改變測點(diǎn)，調(diào)整系統(tǒng)的可能性，數(shù)據(jù)采集終端的軟件必須是高度模塊化，便于開發(fā)人員增加新的測點(diǎn)、硬件。模塊化的核心在于對不同類型信號采集任務(wù)的模塊化與規(guī)范化，將不同類型的數(shù)據(jù)采集模塊封裝成一組具有相同接口的Ⅵ供上層的數(shù)據(jù)采集引擎根據(jù)各采集終端特定的模塊配置文件來動態(tài)調(diào)用。

GPS同步采集

為滿足大橋模態(tài)分析的要求，各數(shù)據(jù)采集終端需要對大橋的振動信號進(jìn)行精確的同步采集。對于大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)而言，各數(shù)據(jù)采集終端的距離都在100米以上，傳統(tǒng)的主從終端同步采集方案已經(jīng)不能適用。我們利用基于cRIO-9401和cRIO-9215的GPS同步采集方案可以很好的解決遠(yuǎn)距離終端同步采集的難題。

具體而言，我們?yōu)槊總€(gè)數(shù)據(jù)采集終端配置一個(gè)GPS接收機(jī)，它們分別獲取已與衛(wèi)星同步的GPS絕對時(shí)間信號和PPS秒脈沖信號，并送至對應(yīng)采集終端的cRIO-9014的串口和cRIO-9401進(jìn)行采集、同步和計(jì)數(shù)。我們在cRIO-9104的FPGA上構(gòu)建了一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)和同步觸發(fā)模塊，參考由cRIO-9401引入的PPS秒脈沖信號，經(jīng)過一系列硬件級的鎖相、計(jì)數(shù)和觸發(fā)機(jī)制，確保不同終端上的所有cRIO-9215(包括cRIO-9203)在同一絕對時(shí)刻以同頻同相的采樣時(shí)鐘對大橋的振動信號進(jìn)行精確的同步采集。

大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

我們將數(shù)據(jù)采集終端的存儲機(jī)制設(shè)計(jì)為人工干預(yù)存儲、觸發(fā)存儲和間斷存儲相結(jié)合，其中人工干預(yù)存儲優(yōu)先級最高，觸發(fā)存儲次之，間斷存儲優(yōu)先級最低。用戶可以在控制終端通過人工干預(yù)存儲命令對任一采集終端的任一或幾個(gè)信號通道進(jìn)行指定時(shí)間段的數(shù)據(jù)存儲：也可以在存儲任務(wù)配置文件中配置觸發(fā)存儲任務(wù)，將某一采集終端上的某幾路信號通道與其它采集終端或同一采集終端上的某幾路信號通道進(jìn)行觸發(fā)存儲任務(wù)關(guān)聯(lián)。當(dāng)產(chǎn)生觸發(fā)任務(wù)的若干路信號通道數(shù)據(jù)滿足觸發(fā)條件時(shí)，它將會觸發(fā)關(guān)聯(lián)的那些被觸發(fā)信號通道進(jìn)行指定時(shí)間段的數(shù)據(jù)存儲。并且觸發(fā)存儲任務(wù)還支持不同的優(yōu)先級設(shè)置以及復(fù)雜的觸發(fā)存儲重疊處理機(jī)制，確保不會丟失對各觸發(fā)任務(wù)指定的信號數(shù)據(jù)的儲存：用戶也可以在存儲任務(wù)配置文件中配置間斷存儲任務(wù)以完成對各采集終端信號通道日常的正常數(shù)據(jù)存儲，如每小時(shí)存儲各信號通道10分鐘的數(shù)據(jù)。

這樣，在間斷存儲任務(wù)的基礎(chǔ)上，用戶只要合理的配置觸發(fā)存儲任務(wù)，在緊急情況下啟動人工干預(yù)存儲，就可以在顯著降低日常的正常信號數(shù)據(jù)存儲容量的基礎(chǔ)上，完全保存和突出實(shí)際關(guān)心的異常信號數(shù)據(jù)，極大的方便了用戶對于大橋異常信號數(shù)據(jù)的保存、提取和分析。

該數(shù)據(jù)存儲機(jī)制的難點(diǎn)在于不同采集終端信號通道之間的觸發(fā)存儲任務(wù)關(guān)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)。

不同數(shù)據(jù)采集終端的具體硬件配置都不一樣，它們采集的信號種類及數(shù)量也不盡相同，但運(yùn)行于各采集終端的系統(tǒng)軟件則完全一致。區(qū)別僅在于不同采集終端有自己特定的FPGA程序、模塊配置文件和存儲任務(wù)配置文件。用戶在控制終端可以利用提供的配置程序，通過對相應(yīng)配置文件的處理來完成對各采集終端的模塊配置信息和存儲任務(wù)配置信息的查詢和更改設(shè)置。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)開始后，各數(shù)據(jù)采集終端分別將采集到的連續(xù)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)地傳送至監(jiān)視終端，監(jiān)視終端將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和解析，然后予以圖形化的顯示和簡單的在線分析。圖3是一個(gè)示意的位于監(jiān)視終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面。

各數(shù)據(jù)采集終端會按照指定的數(shù)據(jù)存儲策略將部分信號數(shù)據(jù)以文本或二進(jìn)制文件的形式存儲在本地。數(shù)據(jù)存儲終端定期通過FTP從各數(shù)據(jù)采集終端下載相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)文件，并對所有信號通道的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行匯總。另外，數(shù)據(jù)存儲終端利用數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一管理這些原始數(shù)據(jù)文件，提供對各信號通道的歷史數(shù)據(jù)文件的預(yù)覽、檢索(按數(shù)據(jù)時(shí)間或數(shù)據(jù)特征檢索)、查詢和離線分析等服務(wù)。

該數(shù)據(jù)采集終端的實(shí)現(xiàn)和在廈門集美大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用是cRIO平臺在國內(nèi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的首次成功案例，對于該領(lǐng)域及其它相關(guān)領(lǐng)域的類似應(yīng)用具有很強(qiáng)的示范性和參考價(jià)值。