"在驗證結構狀態(tài)上刃傻，我們?yōu)榭蛻魩砹爽F(xiàn)代以太網(wǎng)驅(qū)動及基于網(wǎng)絡連接，而在 數(shù)據(jù)收集方面嘴净，我們能夠享有堅固属缚、可靠、低成本和可重復編程 CompactRIO 系統(tǒng)所帶來的裨益护狠。"

- Jim Campbell, Viewpoint Systems, Inc.

The Challenge:
        在某些結構相對難以接近的情況下隧鸠，連續(xù)監(jiān)測長島鐵路高架道路的結構健康。
The Solution:
        使用 CompactRIO同蚂、 LabVIEW FPGA和 LabVIEW數(shù)字濾波器設計工具包來測量環(huán)境激勵產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)的模式分析懊玖，遠程捕捉數(shù)據(jù)并分析重要事件。

背景

        工程師使用結構振動來評估許多建筑和機器的狀況扔相，包括建筑物力鹰、橋梁、水壩厚遗、高塔腺首、起重機和托架。  盡管多年來我們已經(jīng)都使用了一定工具來監(jiān)控結構振動黔攒，但是這些工具所收集到數(shù)據(jù)不是保真度高卻持續(xù)時間短的波形趁啸，就是持續(xù)時間長卻在頻段上有功率失真的測量結果。  許多結構只有在環(huán)境力量督惰，例如風不傅、車輛活動，附近的建筑，或者如地震和龍卷風存在等隨機事件的情況下發(fā)生振動才有意義访娶。  因此商虐，數(shù)據(jù)采集在這些情況下都必須保持活躍。

        得益于存儲容量崖疤、處理器速度和寬帶無線通信技術上的最新進展秘车，我們可以長期采集高保真波形。  我們還可以與匯聚了多個數(shù)據(jù)采集點的結構振動數(shù)據(jù)的主機進行通訊戳晌，從而提供永久的數(shù)據(jù)收集以及高級分析和報告功能鲫尊。

        結構完整性評估的領導者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開發(fā)了可在室外和其他較難接近的地方上運作的系統(tǒng)沦偎，它同時還保持了可用的基于PC的解決方案的能力模博。  最終，我們生產(chǎn)出了STRAAM SKG CMS?系統(tǒng)的增強版本鹤仲，安裝在長島鐵路橋上攘调。

系統(tǒng)要求

        系統(tǒng)需要執(zhí)行下列運作：
        ?從加速度計以及其他環(huán)境傳感器上收集數(shù)據(jù) 
        ?以完全采樣率在本地存儲數(shù)周的數(shù)據(jù)
        ?實時分析自定義數(shù)據(jù)
        ?定期將統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)布至主機 
        ?按要求將波形上傳至主機
        ?提供堅固、重量輕壕赘、高性價比以及可靠的OEM部署 
        ?涵蓋靈活的架構來應對未來的挑戰(zhàn)
        ?確保安全的用戶訪問控制
 
系統(tǒng)設計

        我們選擇了一個基于NI CompactRIO平臺和動態(tài)信號采集（DSA）C系列模塊的系統(tǒng)拾哈。 CompactRIO和相關C系列信號調(diào)理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數(shù)安裝地點的典型環(huán)境極值铐儡。  此外染痊，CompactRIO控制器沒有移動部件，增加了發(fā)生故障的平均間隔時間庆葱，并確保它可以承受在運輸和安裝過程中的物理操作不當组救。  在軟件方面，我們決定采用NI LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊胚高〕匠担考慮到基本信號的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動態(tài)信號模塊（DSA）性能的采樣率抛虏，我們采用了LabVIEW FPGA博其。

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圖1-安裝在LIRR支撐梁上的設備

數(shù)據(jù)采集與過濾

        DSA模塊通過由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號，輸出有關傾斜和加速度的信息迂猴。  由于大型結構在低頻率產(chǎn)生共振慕淡，因此，這些傳感器具有極低的噪聲沸毁、高度的動態(tài)范圍和低頻響應十分重要峰髓，從而可在小于1 Hz情況下收集有關結構的信息。  低頻率范圍和長期數(shù)據(jù)存儲的特點必須結合起來以清，以創(chuàng)造每秒200個樣本 (S/s)的最大的數(shù)據(jù)采集率。  由于擁有delta-sigma轉換技術，NI 9239的采樣速度并不慢掷倔，因此我們基于可編程門陣列（FPGA）以2000 S/s速度進行采樣并使用低通數(shù)字濾波來產(chǎn)生速率為200S/s的抗混疊信號眉孩。通過抽取獲得的簡單二次抽樣會違反Nyquist準則。我們使用LabVIEW 數(shù)字濾波器設計工具包生成了28抽頭的無限脈沖響應（IIR）濾波器勒葱，其3dB下降節(jié)點是采樣率的0.8倍浪汪，阻帶衰減大于90dB.數(shù)字濾波器設計工具包包括自動生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA凛虽。  我們精心選擇定點運算书吗，以確保操作正確，從而避免過度使用FPGA資源礁懂。  最終的濾波器是一個帶4位尾數(shù)的24位定點數(shù)解決方案女践。

圖2: 遠程前面板顯示加速度波形捕獲

配置、信號處理和警告

        基于結構的共振頻率锣石，STRAAM采用專有的分析程序盹斟，從連續(xù)的加速度數(shù)據(jù)流中提取相關信息。  由于環(huán)境能量能夠激發(fā)結構變化浆酝，我們分析了一些初步的數(shù)據(jù)來定位共振焰垄。  在初期階段之后，我們配置CompactRIO來執(zhí)行基于共振位置的專有分析和爽。  初始設置的所有活動都是通過遠程無線通信進行的藐檀。  我們通過無線方式連接到CompactRIO，然后連接至最初獲取和分配共振頻帶的LabVIEW遠程面板儡簿。

        信號處理需要共振頻帶內(nèi)的功率譜和時域波形結構晨墓。  CompactRIO處理器和FPGA模塊可以基于快速傅里葉變換（FFT）計算功率譜，并進行時域濾波計算傍菇，因此我們可以在STRAAM提供的復雜算法基礎上進行計算猾瘸。  此外， CompactRIO 的大容量RAM可以存檔原始加速波形以供日后檢索丢习。  LabVIEW開發(fā)環(huán)境大大簡化了調(diào)整這些計算的步驟牵触。  我們進行更多的計算來辨別值得注意的事件，從而在重要狀況發(fā)??生時提醒工程師：這些狀況可能意味著存在一個有意義的環(huán)境激勵或結構已發(fā)生很大的變化咐低。

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主機通信

        為了成功運作揽思，該系統(tǒng)需要與主機進行有效地通訊。  由于該系統(tǒng)部署的地方在幾乎不可訪問的地方和室外場所见擦，因此所有的系統(tǒng)交互都需要進行遠程操作钉汗。  憑借蜂窩式調(diào)制解調(diào)器，系統(tǒng)通過TCP/IP上傳重要信息鲤屡、發(fā)布事件警報并允許遠程配置损痰。  我們設計的LabVIEW應用程序福侈，定期以自定義二進制信息方式將概要信息發(fā)送至主機，它包含結構狀況及CompactRIO系統(tǒng)的信息卢未。  主機然后將信息與所有其他部署在該區(qū)域的SKG CMS?系統(tǒng)進行匹配肪凛。 除了本概要信息，主機還可以從CompactRIO RAM獲取原始波形數(shù)據(jù)躏宗。  為了避免被篡改和未經(jīng)授權的訪問邦霸，我們的密碼保護所有連接。

Figure 3 - 數(shù)據(jù)文件配置屏幕

總結

        我們已經(jīng)成功地安裝了幾個基于CompactRIO平臺的功能型SKG CMS?系統(tǒng)根爆。  通過將這些系統(tǒng)連接至主機幕封，即便在惡劣的天氣下，我們也可以監(jiān)視持續(xù)的振動活動以及各種結構的警報條件英鸵。在驗證結構狀態(tài)上铁磕，我們的客戶享有現(xiàn)代以太網(wǎng)驅(qū)動及基于網(wǎng)絡連接帶來的裨益，而在數(shù)據(jù)收集方面妙旅，我們能夠享受堅固军裂、可靠、低成本和可重復編程CompactRIO系統(tǒng)所帶來的好處战覆。

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