基于LabVIEW的地震仿真监测系统设计_魏薇.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期基于 LabVIEW 的地震仿真监测系统设计*最新科学研究表明，当地震产生时，地球上的板块与板块之间会发生激烈的碰撞，导致产生大量的地震波和热量，地震时产生的巨大热量通过地下水相互扩散，从而导致地下水的温度急剧升高。因此，对地下水温和地震波进行监测，是实现地震预报的一个行之有效的方法。为此，国内外众多专家展开了大量的研究。如文献1通过监测地震前兆的地下水温变化，设计出了一款用于地下水体流动观测的井温测量装置，该装置可测量1000 m以下的水温，取得了较高的测量精度；文献2利用三分量的941b型拾震器和NI USB-6210型数据采集卡，设计了一套先进的三分量地震数据采集系统，该系统能够准确采集X、Y、Z三个方向的地震信号，具有一定的实用价值。然而，目前市场上的地震监测系统大多是由硬件构成的，普遍存在着数据采集效率低，成本高、功能不易拓展等突出问题3-5。此外，这些监测系统大都为专业仪器，在出厂时进行了封装处理，参观者无法看到系统的内部工作原理，更不能动手操作，从而缺少了互动性和直观性。针对上述情况，本文基于LabVIEW软件开发平台和NIUSB-6001数据采集卡，开发了一套先进的地震数据监测系统。利用压力式水位传感器、温度传感器和磁感应式传感器对现场的水位高度、水温和磁场变化情况进行测量。1系统总体设计系统总体结构如图1所示。实验时，通过在地面跺脚的方式来模拟一次地面振动，使用短周期地震计对振动波进行测量。通过改变地下流体水温仪的液位或温度来模拟地下水的液位和温度变化，然后利用压力式水位传感器和温度传感器分别测量地下流体水温仪中的液位和温度信号。通过转动电磁扰动仪的外部装置来生成变化的磁场，以模拟地震时的磁场变化情况，利用磁感应式传感器测量现场的磁场。然后，将传感器采集的振动波信号、液位信号、温度信号和磁场信号输入到信号放大板中。信号放大板主要起三个作用：一是给上述四种传感器提供工作电源。二是将传感器输出的微弱信号放大。由于传感器输出的信号通常为毫伏级，而毫伏级的数据采集卡价格十分昂贵，因此通过信号放大板将毫伏级的信号放大到伏级，然后再输送给数据采集卡进行采集。三是对传感器输出的信号进行滤波处理。通常传感器输出的信号为模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此，需要采用数据采集卡将传感器输出的模拟信号转换为数字信号。本系统利用NI USB-6001采集卡来完成这一转换。NIUSB-6001是一款基于USB的数据采集卡，其具体参数指标详见表1：表1NI USB-6001主要参数指标魏薇1，2，3卢永4林航毅1于海英1，3朱佳苗1，2潘国勇1（1上海市地震局，上海200062；2上海佘山地球物理国家野外观测研究站，上海200062；3地震监测预警科技创新团队，上海200062；4江苏省地震局，江苏 南京210014）Design of Earthquake Simulation Monitoring System Based on LabVIEW摘要：快速、准确地采集地震数据关系到地震监测的成败，然而，目前市场上的地震监测系统普遍存在数据采集效率低、成本高、功能不易拓展等问题。基于此，基于LabVIEW软件开发平台和NI USB-6001数据采集卡，开发出了一套先进的地震数据监测系统。首先，通过地震计等四种传感器采集现场的液位、温度等信号；然后，利用数据采集卡对采集的信号进行A/D转换；最后，通过LabVIEW完成数据的显示与存储。实验表明，系统操作方便快捷、性能优越、功能易拓展，对提高地震监测仪器的工作效率、监测安全具有一定的意义。关键词：地震；监测系统；USB-6001；数据采集；LabVIEWAbstract:The seismic monitoring systems in the current market generally have problems such as low data acquisitionefficiency,high cost and not easy to expand the functions.Based on this,this paper develops an advanced seismic datamonitoring system based on LabVIEW software development platform and NI USB-6001 acquisition card.Firstly,the signalsof voltage and temperature at the site are collected by four sensors such as seismometer.Then,the data acquisition cardis used for signal conversion.Finally,the display and data of the data are completed by LabVIEW.Keywords:earthquake,monitoring system,USB-6001,data acquisition,LabVIEW*上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站研究室课题（2021SSY07）；地震监测预警科技创新团队图1系统总体结构图71基于LabVIEW的地震仿真监测系统设计由于NI USB-6001是一款基于USB的数据采集卡，因此，它使用起来十分方便，只需要把数据采集卡插在工控机或者笔记本电脑的USB端口就完成了硬件连线操作。然后，在对应的电脑上安装DAQmx软件就完成了对数据采集卡的驱动。最后，通过在LabVIEW软件中调用安装好的DAQmx模块就可以实现对数据采集卡的控制。2系统软件设计2.1程序流程软件流程如图2所示。软件启动后，首先进行初始化，初始化主要指的是对界面上的所有控件进行复位操作，例如将波形图的历史数据清空、对数据采集卡进行配置等。初始化过程中如果出现错误，会弹出错误信息提醒用户，此时表示系统存在硬件或者软件方面的故障，因此程序会自动退出。用户需要检查系统的硬件和软件，当确认无误后，可以再次启动软件。初始化正常以后，后台程序会自动向硬件设备发出自检信息。本系统中的硬件主要指的是NIUSB-6001数 据 采 集卡，采集卡在收到软件发送过来的自检信息后开始自检，自检正常或者失败都会给软件返回一个自检信息，软件根据收到的返回信息对硬件的状态进行判断。自检成功以后，后台程序开始启动主程序，并打开主界面。此时，后台程序开始对板卡进行配置，并依次采集振动波、液位、温度和磁场信号，然后将采集的信号进行相应的分析、显示和存储。实验结束以后，当用户点击退出程序按钮时，软件自动释放相应的硬件资源，以便再次启动软件时不会因为硬件资源被占用而出现报错的情况。2.2程序设计2.2.1数据采集根据图2对本系统的程序框图进行了设计。首先，在与硬件相连的电脑上安装DAQmx软件。DAQmx是NI公司的硬件驱动软件，安装该软件之后就完成了对本系统中的NI USB-6001数据采集卡的驱动。然后，在程序后面板中就可以看到已经安装好的DAQmx模块，根据需要将对应的模块拖出来即可。其中，对板卡的驱动其具体实现步骤包括以下四步：1）使用DAQmx Create Virtual channel.vi对温度、水位、振动和磁场强度进行配置，配置包括输入信号的最小和最大量程，配置时通过不同的通道来区分这4个信号；2）使用DAQmx Timing.vi对采样率、采样模式和单次循环采样数进行设置；3）在前两步配置完成以后，使用DAQmx Start Task.vi开启采集；4）使用DAQmx Read.vi读取采集的数据。2.2.2数据解析在对数据采集卡进行配置和启动采集任务时，程序是放在While循环之外执行的，也就是说配置和启动采集任务只需要执行一次即可。而读取数据部分是放在While循环内部执行的，这意味着读取数据是一直不停地读取，直到程序发生错误或者用户点击停止按钮为止。读取的数据为一维数组，通过对读取的数据进行相应的运算和解析即可得到想要的数据，其具体实现步骤如下：1）将DAQmx Read.vi读取的一维数组按照下式进行计算：y=kx+b（1）2）计算步骤1）中输出信号的平均值；3）通过“索引数组”函数获取数组中的每一种信号，并通过“数据队列（逐点）”函数和“均值”函数计算前5个数据点的平均值；4）将得到的每种信号的平均值显示在对应的控件上，如温度波形、水位波形、振动波形和磁场强度波形。2.2.3数据保存为了偏于后续对采集的数据进行回放和查看，需要对采集的数据进行保存，将上述步骤2）之后的数据进行保存，其具体实现步骤如下：1）判断界面上的记录模式按钮是否为True，如果是则记录数据，否则不记录；2）通过“首次调用”函数判断数据记录是否为首次执行，如果是则创建记录数据的文件，否则直接保存数据；3）将采集的数据转换为字符串，并通过“格式化日期/时间字符串”函数获取系统中的日期，将数据和日期一起存储到上一步建立的文件中。3实验验证由于本系统选用的是USB系列的数据采集卡，因此，系统的硬件连接非常简单。首先，将传感器连接到信号放大板上；然后，将信号放大板的输出连接到NI USB-6001数据采集卡上；最后，将数据采集卡的USB线连接到电脑上的USB口即可。图3为进行地震波测量实验的实物图。实验时，实验人员通过跺脚的方式模拟地震的振动情况，然后利用上海地质仪器厂生产的768-1型短周期地震计测量现场的地震波振动信号，将测得的信号传输给信号放大板进行滤波、放大等处理，将处理之后的信号输入到NI USB-6001中进行数据采集，将模拟信号图2软件流程图图3地震波测量实验72工业控制计算机2023年第36卷第2期转换为数字信号。最后，将转换之后的数字信号输入到Lab-VIEW平台下的计算机中进行相应的分析、显示和存储。同样地，当我们进行磁感应实验时，只需要将上述实验中的短周期地震计换成磁感应式传感器即可，其他实验部分无需变动。然后，使用一根磁铁靠近磁感应式传感器，此时，从图4中的软件界面可以看出，现场的磁场发生了明显的变化。图4磁感应测量实验当我们需要进行地下水位液位测量实验和温度测量实验时，同样只需要更换传感器部分即可。从表1可以看出，本系统选用的数据采集卡的通道数为差分4个通道或者单端8个通道。因此，也可以把4个传感器全部连接上统一进行实验，限于篇幅，此处不再一一赘述。系统软件界面如图5所示，界面主要分为四大块，在左上角为配置模块，在这里完成对振动波测量、温度测量、液位测量和电磁波测量的通道配置，如温度测量使用的是Dev1/ai0，即第1个数据采集卡的第0个模拟输入通道。值得注意的是，本系统只有一块数据采集卡，因此板卡号全部使用Dev1，而模拟输入通道按照顺序依次递增。此外，还可以对各个传感器需要的斜率和截距进行设置。左边中间部分用来进行定时设置，主要设置采样率和单次循环的采样数。左下角用来设置记录模式、保存数据路径和停止采集等。图5软件界面主界面右边为4个波形图，分别用来显示实时采集的振动波信号、地下水液位信号、地下水温度信号和磁感应信号。4结束语本文基于LabVIEW软件开发平台，结合短周期地震计、压力式水位传感器、温度传感器、磁感应式传感器、信号放大板、NIUSB-6001数据采集卡等硬件设备，开发出了一套先进的地震仿真监测系统，得到的主要结论如下：1）由于系统选用的是USB型的数据采集卡，因此系统的接线和操作都非常简单。实验过程中，既可以将各个传感器单独连接到系统中，也可以将所有的传感器全部连接到系统中，具有灵活方便的特点。2）系统直观地演示了地震监测仪器的内部工作原理，具有科普展示和科技教育相结合的双重功能。3）系统设计简单，操作方便，性能稳定，功能易拓展，为其他地震仿真监测系统的开发提供了一定的参考。参考文献1吴鹏，罗松.基于地震前兆监测的温度测量装置的研究J.电子器件，2019，42（5）：1314-13192张家声，王广科，高一峰，等.基于LabVIEW的三分量地震数据采集系统设计J.物探装备，2020，30（4）：223-2263KRISHNAN 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