(原投标方案)多通道数据采集器.docx

多通道高速数据采集器原投标方案
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，确保不会丧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桥梁异 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。
模块配置和存储任务配置
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那么完全一致，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。
实时数据显示和历史数据查询
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示意的是一个位于监视终端的实时数据显示界面。
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图7监视终端实时数据显示界面
各数据采集终端会按照指定的数据存储策略将局部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。
三、示范案例

图8厦门集美大桥健康监测系统数据采集终端现场实施图
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。图4是厦门集美大桥健康监测系统 数据采集终端的现场实施图。
四：系统各配置参数
4.1高性能、大密度嵌入式实时控制与信号处理起步套件(加8槽扩展机箱)
(高性能嵌入式控制器)1个
1 . 800MHz处理器,4GB非易失性存储介质，512MBDDR2内存；
2 .高速USB主机端口可连接至LSB闪存及其它存储设备；
3 .双电源直流供电输入；
4 . 8槽可重新配置的嵌入式机箱支持所有cRTOT/O模块；
5 . 8槽扩展用嵌入式机箱支持桥路I/O模块；
6 .Xilinx可重新配置T/0(RT0)FPGA核心,具有高超的处理能力;
7 .操作温度范围:-40° C到70° C;

8 .2 4通道应变采集模块(9237) 8个
1 . 4路同步采样模拟输入;24位AD
2 .抗混售滤波器；
3 . ±25mV/V输入范围；
4 . 24位ADC, 113dB动态范围；
5 .操作温度范围:-40。C到70° C;
6 .3 16通道电流采集模块(9208) 1个
L 16 路电流输入(±21.5 mA) , 24 位 ADC;
7 .高分辨率模式，搭配50/60 Hz工频干扰抑制;
8 .VSUP针用于接入外部电源(最大2 A/30 V);
9 .支持两线制、三线制接法；
10 操作温度范围:-40° C到70° C;
11 4 16通道电压采集模块(9220) 1个
1. 16路电压输入(±10 V), 16位AD;
2. 100kS/s/通道 同步输入；
3. ±30V过压保护；
4. 操作温度范围：-40。C到70° C;
4.5 6通道动态信号采集模块(6061) 4个
1.6通道,24位，同步八。；
2.4 kS/s/通道同步输入；
3 .抗混叠滤波器；
4 . ±10V输入范围；
5 . 24位ADC, 113dB动态范围；
6 .操作温度范围:-40。C到70° C;
7 .6 GPS定时同步与定位模块(6011) 1个
1 .具备32通道卫星信号接收能力，快速定位；
2 .内置WAAS/EGNOS/MSAS解调器；支持NMEAO183V3. 01数据协议；
3 . +5VTTL秒脉冲输出,时钟精度0. 1微秒;SMA接口 ;
4 .天线供电盒可以灵活地选用，为GPS天线供电；
5 .操作温度范围：-40° C到70° C;
6 .7 4 端 口 RS485/RS422 串行接 口模块(9871) 1 个
7 .4 个 RS485/RS422(TIA/EIA-485/422)串 口；
2 . Mbaud至3. 684Mbaud的波特率范围;
3 .数据位:5, 6, 7,8;结束位:1, 1.5,2;流控制:XON/OFF, RTS/CTS;
4 .收发器模式:4线收线DTR控制,具有回波的2线DTR控制,2线自动;
5 .操作温度范围:-40° C到70° C:

4. 8数据采集系统底层系统：1套
运行在实时控制器中，完成数据采集、存储、通讯等功能;含现场调试与技术 支持；
4.9配件
D-SUB模块的前安装螺栓接线盒（9923） 10个
37针D-SUB模块的前安装螺栓接线盒，配套16通道电压采集模块
GPS天线1个
30米，配套GPS定时同步与定位模块使用；
1）多通道高速数据采集器
多通道高速数据采集器系统方案
基于NI CompactRIO的多通道分布式桥梁实时监测系统
一、引言
近年来，国内外多起桥梁坍塌事故引起了相关部门对桥梁平安的高度重视，随 着区域经济与工程技术水平的开展，同时为了满足日益增长的交通需求，世界上 越来越多的地区开始兴修大型桥梁。据统计，在中国，仅仅横跨长江两岸的特大 桥就有60余座，并且出现了多座已建成、在建或处于立项阶段的跨海大桥，如 东海大桥、杭州湾大桥、虎门大桥等。这些桥梁设施不但要抵抗海水江水的冲击 和腐蚀、地震台风等自然灾害，还要经受各种交通工具对桥梁结构造成的缓慢损 害。近年来，国内外多起桥梁坍塌事故引起了相关部门对桥梁平安的高度重视, 搭建基于NI CompactRIO的多通道分布式桥梁实时监测系统用于桥梁结构平安监 测工程化开发验证系统斜拉桥仿真模型监测，可为桥梁检测提供技术实践与研究 平台，为斜拉桥监测技术的研究、应用与改进做出贡献。
桥梁的健康监测系统需要24小时连续监测大量振动、温度、应变、位移、压力 等常用于桥梁健康监测的模拟信号，对于振动信号还需要精确的同步采集。这不 仅要求采集终端有很好开放性、灵活性和稳定性以集成不同种类的数据采集模块 对不同类型的信号进行统一的连续采集，而且要求采集终端提供高性能的时钟和 触发同步功能。同时，恶劣的海洋环境及桥面路况影响对采集终端的环境适应性 也提出了很高的要求。可以毫不夸张地说，NI的cRIO平台是构建该采集终端的最 佳解决方案。
二、系统方案
2. 1系统目的
为本工程实验室用斜拉桥仿真钢构模型配置坚固的基于CompactRIO控制平台、 LabVIEW软件平台和先进的自动化测试测量技术搭建的，可用于实验室或整个大 桥不同数据采集终端统一的远近程健康实时监测数据采集系统，对实验室用斜拉 桥仿真钢构模型或真实桥梁的各类环境数据、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。
2.2系统功能
系统基于NI的CompaclRIO硬件平台，利用NI LabVTEW开发出一套适用于全 天候桥梁健康监测的多通道高速数据采集系统。系统包括控制器、cRIO数据采 集终端、采集器底层系统组成。
控制器技术
N1 CompactRIO是一款工业级嵌入式测控系统，集成了嵌入式实时（Real-time） 控制器、可编程硬件逻辑（FPGA）和可重配置的I/O模块。由于采用嵌入式设计， 整个系统具备低功耗的优点，而创新的集成FPGA更使系统具备高速并行的运算 处理能力。NI CompactRIO系统设计精巧而坚固，满足苛刻的工业级指标，特别 适用于复杂工业或桥梁监测环境中对可靠性有严格要求的各种应用。支持热插拔 的I/O模块内置了信号调理和数模转换（ADC或DAC）电路，并且具备工业级的 隔离设计，可直接与外部传感器/驱动器互连。
NICompactRIO系统和LabVIEW开发环境无缝连接使用户可以轻松的通过图形 化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集应用，可大大缩 短工程师设计系统原型的时间，降低系统开发、生产的技术风险。
LabVIEW 技术
LabVIEW强大的数据采集和信号处理功能极大地节省了采集终端软件的开发 时间，在LabVIEW RT和LabVIEWFPGA模块的配合下使得采集终端能够实时高质 量地完成数据采集、信号处理、数据传送和数据存储的工作，为整个大桥健康监 测系统提供灵活、强大的底层数据支持。
基于NI优秀的CompactRIO硬件平台和强大的LabVIEW软件平台，我们在短时 间内成功开发出集不间断数据采集、监测信号记录与实时传输、监测信号预警等 功能于一体的多通道数高速数据采集系统，并成功运用于深圳湾大桥、集美大桥、 虎门大桥等多座跨海大桥的监测。以往此类设备几乎全部依靠整套进口，昂贵的 费用负担和技术约束在一定程度上制约了我国防震减灾工作的进一步开展。基于 CompactRIO的多通道数高速数据采集系统的成功推出和应用，在各类性能指标 到达国际同类先进技术产品的同时，降低了应用本钱，形成了自主知识产权的软 件及系统产品。
关键技术
作为系统中两个重要技术亮点，实时控制器和FPGA具备以下功能特点：
实时控制器(Real-Time Controller, RT)
> 内置主频高达800MBHz处理器和512MBDDR2内存,Xilinx可重新配置 I/O(RIO)FPGA核心,具有高超的处理能力。
> 高速USB主机端口可连接至USB闪存及其它存储设备。
>系统进程调度完全按照优先级进行，不会“死机”。
>系统确定性、可靠性高，循环周期抖动在微秒量级。
> 内置有高达4GB非易失性存储介质存储数据，还可通过USB接口、SD存储模 块或网络硬盘等方式扩展数据存储容量。
> 8槽可重新配置的嵌入式机箱支持所有cRTOT/O模块。
> 8槽扩展用嵌入式机箱支持桥路I/O模块。
FPGA
> 提供大容量的可编程逻辑阵列，40 MHz基准时钟，可满足复杂的高速并行处 理需求。
> 以25ns时间分辨率执行定时、触发和自定义控制循环，实现高确定、高可 靠性的硬件决策。
> FPGA直接与I/O模块互连，可进行高速的数据采集、计算和控制操作PID 控制速率高达200KHz。
系统硬件主要包括采集机箱、嵌入式控制器与采集终端。
控制器功能
控制器的主要任务是建立系统基层，采用以太网或串口形式对各采集终端实行 采集、控制、传输、分析、管理等命令，且为各采集终端提供统一的接口实现集 成安装、供电等功能。
采集终端功能
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局部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。
GPS同步采集功能
为满足斜拉桥仿真模型监测与模态分析的要求，各数据采集终端需要对斜拉桥仿真模型的振动、应变、位移、挠度、倾斜等信号进行精确的同步采集。我们利 用GPS同步采集方案可以很好的解决终端同步采集的难题。

图1.工程师在现场进行设备调试
具体而言，我们为整个系统终端配置一个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嵌入式控制 器的串口和嵌入式控制器进行采集、同步和计数。我们在嵌入式控制器的FPGA 上构建了一个数字锁相环和同步触发模块，经过一系列硬件级的锁相、计数和触 发机制，确保终端上的所有模块在同一-绝对时刻以同频同相的采样时钟对斜拉桥 仿真模型的振动、应变、位移、挠度、倾斜等信号进行精确的同步采集。
系统使用VI6011可以为系统提供GSP信号接收和时基同步功能。可对实验室用 斜拉桥仿真钢构模型所配置的振动、位移、应变、倾斜、斜拉索力、挠度仪等6 类模拟或数字信号进行24小时不间断同步监控。本系统同样适用于恶劣环境下的 桥梁分布式全天候健康监测以及维护/现场测试。
2. 3系统组成
序号
设备名称
实现功能
备注
1
实时控制与信号处理
起步套件
为系统提供处理器、传输接 口、供电、存储、嵌入式控制 功能
控制与处理器

2
应变采集模块
实现应变模拟量信号采集功 能
24通道应变信号采集
3
电流采集模块
实现电流模拟量信号采集功
能
16通道电流信号采集
4
电压采集模块
实现电压模拟量高速采集功
能
16通道高速电压信号采 集
5
D-SUB模块
用于电压采集模块的螺栓接 线盒

6
动态信号采集模块
实现电压信号动态采集功能
24通道动态电压信号采 集
7
GPS定时同步与定位 模块
GPS接收、定位、传输功能

8
GPS天线
接收与传输GPS信号前端
配套GPS模块使用
9
数字量串行接口模块
RS485或RS422信号接入功能
4通道数字量采集
10
数据采集系统底层系 统
实现系统控制、信号处理、通 讯、存储等功能
控制软件
11
采集系统坚固机箱
实现设备的安装、储放功能
配套机箱
硬件配置:
多通道高速数据采集系统提供8模块cRlO-9237共32路应变信号、1模块 cRIO-9208共16路电流信号、4模块VI-6061共24路动态信号、1模块cR10-9220 共16路电压高速信号、1模块cRIO-9871共4路RSS485与RSS422数字量信号 接入接口，1模块6061 Gps天线接口和以太网接口。系统的控制器选用高性 能、大密度嵌入式实时控制与信号处理起步套件（加8槽扩展机箱）（高性能嵌 入式控制器）；
图2系统结构图
图3.局部机器控制系统
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图4.分布式机器控制系统

2. 4系统软件功能原理
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。
系统的软件结构由数据采集和通信两大局部组成。数据采集局部又可分为数据 采集模块、数据采集引擎和数据触发引擎。通信局部那么由数据接口、控制接口和 状态接口组成。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，防止各个 模块之间的相互阻塞干扰。
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d_/dol
aQ:。！
配置文件
调试接口
数据接口
数据采集引擎
数据存储引簟

数据采集局部
GPS同步PPS信号振动.电压信号电流信号R$185串口信号
cRIO-9401 cRIO-9215 cRIO-9203 cRI0-9871
数据采集终端

图5系统软件结构
这些所有的引擎和接口都是在嵌入式控制器的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-9237、cRI0-9208、VI-6061、cRI0-9220、 cRTO-9871等模块对相应信号的数据采集是在嵌入式控制器的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。

图6上位机界面
数据存储机制
已有的大桥健康监测系统采集终端的数据存储机制大都设计为保存所有信号 通道所有连续的数据，这样一方面带来海量数据的存储和管理问题，另一方面使 得用户真正关心的大桥异常信号数据淹没在大量日常的正常信号数据中间，不利 于用户对其进行提取和分析。
多通道高速数据采集器系统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。当产生触发任务的假设干路信号通道数据 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