为基于CompactRIO的大型桥梁结构安全监测系统研究

　　1. 自动化传感测试子系统各类信号采集、处理方案

　　整个系统共设置3个cRIO采集站。采集站在左右两幅桥各布置一个，BRT桥布置一个。

　　实现的采集工作包括加速度同步采集压力变送器、温湿度仪、风速仪、振弦式应力计、磁通量索力计信号和串口信号的采集。这些传感器输出信号种类多种多样，大大增加了采集系统构筑的难度。系统针对不同类型的传感器，选用合适的采集设备和方案。系统结构组成如图2所示。

　　cRIO可编程工业I/O系统具有嵌入式控制器和机箱，选配多种功能的信号采集卡，完全工业级的设计。

　　Ø 采用的cRIO控制器NI9014为嵌入式控制器。

　　Ø 采用的cRIO机箱NI-9104为8槽嵌入式机箱，具有-40-70°C的操作温度范围，3百万可重新配置I/O(RIO)，FPGA核心具有高超的处理能力，使用LabVIEW自动生成自定义控制和信号处理电路。

　　Ø 采用cRIO的4通道高速同步数据采集卡NI-9215对于单向和三向加速度计进行电压信号采集。

　　Ø NI-9401八通道高速数字I/O信号，100ns超高速数字输入输出，用于加速度同步。

　　Ø NI-9871标准RS485通讯卡，磁通量传感器采用磁弹仪进行采集，其输出为485信号，接入NI-9871。

　　Ø NI-9871标准RS485通讯卡，超声波三向风速仪直接输出485信号，接入标准RS485通讯卡NI-9871。

　　Ø NI-9203采用8通道模拟电流采集模块，压力变送器和温湿度仪输出信号分别为4-20mA电流，对于这类输出为标准电流信号的传感器接入NI-9203。

　　Ø 光纤光栅温度传感器与应变传感器采用光纤光栅传感网络分析仪进行采集，其输出为以太网信号。

　　本系统的监测项目梁体振动加速度需要较好的同步性和实时性，我们采用GPS精确授时技术、在每个采集站安装GPS时钟接收机，借助NI-9401 100ns超高速数字同步卡，通过软件方法和采集策略的配置保证加速度数据采集的同步性。

　　2. 数据采集传输与控制

　　采集站实现的采集工作于LabVIEW-RT实时系统环境下，在终端硬件的支持下主要完成对信号数据的采集和传输。用户一般不直接与其进行交互，但其提供一系列的标准接口和命令与用户所在的控制终端、监测终端和数据存储终端进行交互。采集站状态与控制如图3所示。

　　数据处理与控制系统服务器通过向cRIO采集站发送网络命令报文实现数据采集和控制功能：

　　1) 控制传感器启动、停止数据采集;

　　2) 查询传感器和采集单元、调理器、其它采集设备的工作状态;

　　3) 查看、修改采集单元和调理器的参数，标签等信息;

　　4) 通过修改配置文件上传至采集站实现采集任务、存储任务的配置和更改。

　　3.数据处理与控制模块

　　采集系统收集到的数据必须经过数据处理与控制模块(子系统)对其进行预处理方能够提交给后续子系统使用。本子系统由数据采集控制模块，数据分类、抽取模块，监测数据库及用户界面4部分组成。系统关系结构如图4所示。
 

　　图4 数据采集、处理与控制子系统关系结构图

 1) 反映结构状态的特征参数确定及其提取方案

　　结构状态特征参数是指能够反映结构特征的物理量，比如：挠度，应力，索力等;而传感器-采集系统所获得是传感器的读数，这些读数一般反映的是电信号。将传感器获得的电信号向结构特征参数转换是极其重要的过程。具体流程如图5所示。

　　a) 传感器电信号向测试物理量的转换

　　传感器电信号向测试物理量的转换通常利用标定证书提供的曲线或参数可以完成传感器读数向物理量的转换。

　　b) 测试物理量向结构特征参数的转换

　　测试物理量向结构特征参数的转换需要其它传感器的配合，需要进行数据的分析处理。

　　c) 各种参数有效数据的抽取

　　d) 数字滤波