基于cRIO远程数据采集终端

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摘要：利用先进的自动化测试测量技术构建分布式的远程数据采集终端，对大桥的各类环境数据、静/动态响应等信号进行精确的同步采集和数据的本地存储。为整个大桥健康监测系统提供最底层的数据支持。

关键词：全天候监测；分布式采集系统；数据记录仪；维护/现场测试

大桥健康监测系统结构如图1所示，监测系统包含多台基于crio的数据采集终端，它们分布在大桥的不同位置。数据采集终端的主要任务是按照控制终端的要求，在各类传感器的配合下采集大桥的各类环境数据、静/动态响应等信号，进而将这些信号数据一方面实时传送到监视终端：另一方面按指定的数据存储策略将部分信号数据以文本文件的形式存储在本地，以供数据存储终端下载并利用数据库来统一管理信号数据。

系统硬件组成

不同数据采集终端的具体硬件配置都不一样，但是硬件模块类型一致。除了机箱cRIO-9104和嵌入式控制器cRIO-9014外，每个采集终端都配有cRIO－9401和cRIO－9215，在GPS接收机的支持下，对大桥的振动信号进行GPs精确同步采集：cRIO，9215和cRIO-9203对大桥的准静态电压、电流信号进行采集：cRIO－9871对部分传感器和调理器的RS-485串口输出信号进行采集：同时cRIO－9401对部分数字脉冲信号(如雨量计输出信号)进行采集和计数。

系统软件结构

采集终端统一的软件架构可以使上位机能通过一致的接口与其交互命令、状态与数据，方便用户的使用：也可以极大地提高代码的重用性，使所有终端使用同一套代码(不同的终端仅在FPGA程序和配置文件信息上有所区别)，方便开发人员维护代码。采集终端软件结构如图2所示。

整个数据采集终端的软件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、数据存储引擎、GPS时间引擎。通信部分则由数据接口、控制接口和调试接口组成。在LabVIEW中实现时，这些不同的引擎和接口都是独立运行的Ⅵ，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。这些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。cRIO-9401、cRIO-9215、cRIO-9203和cRIO-9871等模块对相应信号的数据采集是在cRIO-9104的FPGA上完成的，具有硬件级的同步、定时和触发特性。它们将采集到的数据通过DMA传送到RT上的数据采集引擎进行降采样、滤波等预处理。

不同数据采集终端的硬件配置都有所不同，所采集的物理信号也各不一样，再考虑到将来增加、改变测点，调整系统的可能性，数据采集终端的软件必须是高度模块化，便于开发人员增加新的测点、硬件。模块化的核心在于对不同类型信号采集任务的模块化与规范化，将不同类型的数据采集模块封装成一组具有相同接口的Ⅵ供上层的数据采集引擎根据各采集终端特定的模块配置文件来动态调用。

GPS同步采集

为满足大桥模态分析的要求，各数据采集终端需要对大桥的振动信号进行精确的同步采集。对于大桥健康监测系统而言，各数据采集终端的距离都在100米以上，传统的主从终端同步采集方案已经不能适用。我们利用基于cRIO-9401和cRIO-9215的GPS同步采集方案可以很好的解决远距离终端同步采集的难题。

具体而言，我们为每个数据采集终端配置一个GPS接收机，它们分别获取已与卫星同步的GPS绝对时间信号和PPS秒脉冲信号，并送至对应采集终端的cRIO-9014的串口和cRIO-9401进行采集、同步和计数。我们在cRIO-9104的FPGA上构建了一个数字锁相环和同步触发模块，参考由cRIO-9401引入的PPS秒脉冲信号，经过一系列硬件级的锁相、计数和触发机制，确保不同终端上的所有cRIO-9215(包括cRIO-9203)在同一绝对时刻以同频同相的采样时钟对大桥的振动信号进行精确的同步采集。

大桥健康监测系统数据处理

我们将数据采集终端的存储机制设计为人工干预存储、触发存储和间断存储相结合，其中人工干预存储优先级最高，触发存储次之，间断存储优先级最低。用户可以在控制终端通过人工干预存储命令对任一采集终端的任一或几个信号通道进行指定时间段的数据存储：也可以在存储任务配置文件中配置触发存储任务，将某一采集终端上的某几路信号通道与其它采集终端或同一采集终端上的某几路信号通道进行触发存储任务关联。当产生触发任务的若干路信号通道数据满足触发条件时，它将会触发关联的那些被触发信号通道进行指定时间段的数据存储。并且触发存储任务还支持不同的优先级设置以及复杂的触发存储重叠处理机制，确保不会丢失对各触发任务指定的信号数据的储存：用户也可以在存储任务配置文件中配置间断存储任务以完成对各采集终端信号通道日常的正常数据存储，如每小时存储各信号通道10分钟的数据。

这样，在间断存储任务的基础上，用户只要合理的配置触发存储任务，在紧急情况下启动人工干预存储，就可以在显著降低日常的正常信号数据存储容量的基础上，完全保存和突出实际关心的异常信号数据，极大的方便了用户对于大桥异常信号数据的保存、提取和分析。

该数据存储机制的难点在于不同采集终端信号通道之间的触发存储任务关联的实现。

不同数据采集终端的具体硬件配置都不一样，它们采集的信号种类及数量也不尽相同，但运行于各采集终端的系统软件则完全一致。区别仅在于不同采集终端有自己特定的FPGA程序、模块配置文件和存储任务配置文件。用户在控制终端可以利用提供的配置程序，通过对相应配置文件的处理来完成对各采集终端的模块配置信息和存储任务配置信息的查询和更改设置。

数据采集任务开始后，各数据采集终端分别将采集到的连续数据通过以太网实时地传送至监视终端，监视终端将这些数据进行汇总和解析，然后予以图形化的显示和简单的在线分析。图3是一个示意的位于监视终端的实时数据显示界面。

各数据采集终端会按照指定的数据存储策略将部分信号数据以文本或二进制文件的形式存储在本地。数据存储终端定期通过FTP从各数据采集终端下载相关的历史数据文件，并对所有信号通道的数据文件进行汇总。另外，数据存储终端利用数据库来统一管理这些原始数据文件，提供对各信号通道的历史数据文件的预览、检索(按数据时间或数据特征检索)、查询和离线分析等服务。

该数据采集终端的实现和在厦门集美大桥健康监测系统中的实际应用是cRIO平台在国内结构健康监测领域的首次成功案例，对于该领域及其它相关领域的类似应用具有很强的示范性和参考价值。