基于LabVIEW的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)開發(fā)

CompactRIO，用戶可以快速、低成本、高度可靠地創(chuàng)建嵌入式控制或采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可與自定義設(shè)計的硬件電路在優(yōu)化性能上相媲美。
4、強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及其實現(xiàn)
4.1采集終端的系統(tǒng)軟件架構(gòu)
采集終端統(tǒng)一的系統(tǒng)軟件架構(gòu)可以使上位機能通過一致的接口與其交互命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便用戶的使用。
整個數(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)采集又分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲引擎、GPS時間引擎、數(shù)據(jù)壓縮封裝引擎、基于NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流協(xié)議傳輸引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成，如圖3所示。
4.2采集終端的軟件實現(xiàn)
多通道強震數(shù)據(jù)采集器終端軟件主要采用LabVIEW 8.6開發(fā)，期間調(diào)用了C++語言開發(fā)的miniSEED地震數(shù)據(jù)包封裝的動態(tài)連接庫。數(shù)據(jù)采集在FPGA和實時(RT)控制器上實現(xiàn)，集成了GPS同步、數(shù)字降采樣、標定信號的多路轉(zhuǎn)換控制和多種復(fù)雜的觸發(fā)策略等極具挑戰(zhàn)性的功能。通信部分的接口中，由數(shù)據(jù)采集器直接將實時數(shù)據(jù)流壓縮打包成miniSEED格式，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠程的地震流服務(wù)器或上位機監(jiān)控分析軟件，如圖3所示。
1) 數(shù)據(jù)采集部分運行在FPGA上，主要完成以下任務(wù)：
a)通過鎖相環(huán)(PLL)與GPS秒脈沖(PPS)同步，并生成采樣時鐘和觸發(fā)邏輯。保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)同步成為可能。
b)模擬數(shù)據(jù)通過采集模塊(AI)以24倍的過采樣率采集下來，再經(jīng)過一個24倍的數(shù)字降采樣濾波器(Down Sample)回復(fù)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(tài)范圍。
c)在需要時使用AO輸出標定信號，通過多路開關(guān)分配給傳感器以完成標定。
2)數(shù)據(jù)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(wù)：
a)GPS信號解析器(NMEA Parser)接收GPS信息，以提取當前時間和經(jīng)緯度、高程等地理位置信息。
b)觸發(fā)邏輯模塊通過處理采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)靈活有效的存儲觸發(fā)策略。

采集數(shù)據(jù)經(jīng)可選的觸發(fā)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(quán)重，各通道判定的結(jié)果和內(nèi)、外觸發(fā)及網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的加權(quán)組合決定了是否記錄數(shù)據(jù)。工作流程如圖4 、圖5 所示。用戶可以通過FTP網(wǎng)絡(luò)接口收集記錄的數(shù)據(jù)。
c)數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)用miniSEED格式壓縮打包，并按照NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流的通信協(xié)議，發(fā)送到遠程的NetSeisIP地震數(shù)據(jù)流服務(wù)器或上位機監(jiān)控分析軟件。
3)通信部分實現(xiàn)的接口
a)數(shù)據(jù)接口(Data Interface) 用來將實時數(shù)據(jù)流發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)中心。

b)控制接口(Control Interface)用于接收用戶的控制指令
c)調(diào)試接口(Debug Interface)用來將程序運行中的狀態(tài)信息和出錯信息發(fā)送給調(diào)試終端。
4.3上位機通信控制及分析軟件的實現(xiàn)
上位機通信控制及分析軟件主要由記錄儀設(shè)置、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析四大模塊組成，如圖 6所示。其中記錄儀設(shè)置包括常規(guī)、數(shù)據(jù)采集、通道、事件記錄信息的設(shè)置等；實時監(jiān)測包括波形的實時顯示、通道表示、本地記錄設(shè)置、本地記錄、遠程記錄、標定信號、站點信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強震告警、關(guān)鍵參數(shù)實時計算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地數(shù)據(jù)的更新及刪除等。數(shù)據(jù)分析可以實

遠程記錄、標定信號、站點信息、系統(tǒng)狀態(tài)、連接狀態(tài)、GPS捕獲狀態(tài)、秒脈沖鎖定狀態(tài)、強震告
警、關(guān)鍵參數(shù)實時計算及顯示等；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)回收及數(shù)據(jù)刪除、本地數(shù)據(jù)的

更新及刪除等。數(shù)據(jù)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(guān)鍵參數(shù)信息。上位機程序由近100個子VI實現(xiàn)，圖7是實時監(jiān)測主界面，圖8是配置界面。

結(jié)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(jié)合先進的cRIO硬件平臺，我們在很短的時間內(nèi)就搭建了多通道強震動監(jiān)測與報警平臺，較快地實現(xiàn)了地震動信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、時鐘同步、數(shù)據(jù)壓縮傳輸、數(shù)據(jù)實時分析、數(shù)據(jù)離線分析、健康診斷、突發(fā)性震動破壞事件報警、網(wǎng)絡(luò)通信和儀器控制等復(fù)雜功能，大大縮短了程序的開發(fā)周期?！盎贜I cRIO的多通道強震動監(jiān)測與報警系統(tǒng)”，達到了高動態(tài)范圍、高計時精度、高頻譜純度和多通道的設(shè)計要求，并且結(jié)合了行業(yè)的應(yīng)用，采用了創(chuàng)新的方法，在NI的平臺上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮和基于NetSeisIP協(xié)議傳輸。可以預(yù)見，在地震行業(yè)內(nèi)，利用NI產(chǎn)品進行相關(guān)研發(fā)，將有廣闊的發(fā)展前景。