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作者:
齊 羽 -
蔡 志斌 -
一、引言：
土工離心機是修建水電站、大壩、橋梁、機場等重要基建設(shè)施必不可少的大型試驗設(shè)備，中國水電科學(xué)研究院具有國內(nèi)最大的土工離心機試驗裝置。該裝置可提供300g的重力場，有效負(fù)載1500kg，其工作環(huán)境極其惡劣：數(shù)據(jù)采集設(shè)備要耐受極大的加速度、風(fēng)壓、電磁干擾等，我們建立的基于PXI平臺的多通道高精度采集系統(tǒng)最終戰(zhàn)勝了這些苛刻條件，精準(zhǔn)的采集到了所需數(shù)據(jù)。
土工離心機
二、 硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)：
根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，本系統(tǒng)包括一下幾個部分：
- 傳感器：包括激光傳感器、應(yīng)變傳感器等等。
- 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包括PXI機箱、控制器、數(shù)據(jù)采集卡與屏蔽電纜。
- 可同步采集32路隔離的差分電壓信號。
- 可同步采集32路應(yīng)變信號。
- 數(shù)據(jù)實時記錄并顯示。
- 控制與監(jiān)測終端：臺式計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
下面分別介紹硬件系統(tǒng)的主要組成部分:
1. PXIe機箱：
由于需要的采集通道較多(包含32路差分電壓采集通道和32路應(yīng)變信號采集通道),需要使用總共8塊數(shù)據(jù)采集卡，也就是占據(jù)了8個插槽。考慮到系統(tǒng)的可擴展性，我們選擇了NI-PXIe 1085 18槽機箱。這款機箱擁有16個混合插槽，可以兼容PXI Express板卡，32-bit CompactPCI板卡以及混合兼容PXI板卡（又稱之為PXI Express-ready或者PXIe-ready），充分滿足了系統(tǒng)可擴展性的要求。NI-PXIe 1085還擁有每插槽4 GB/s的專用帶寬，12 GB/s的系統(tǒng)帶寬。這充分滿足了大數(shù)據(jù)量吞吐的設(shè)計要求。
通過實際上機實驗，NI-PXIe 1085經(jīng)受住了土木離心機上高重力的考驗，其機械結(jié)構(gòu)的堅固程度打到了系統(tǒng)要求。
2. PXIe控制器：
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本系統(tǒng)采用了NI PXIe-8135控制器。這款控制器擁有2.3 GHz四核Intel 酷睿i7處理器 ，和牧人4GB的內(nèi)存（最大16GB）。高性能的處理器保證了系統(tǒng)的流程穩(wěn)定的運行。
3. 電壓數(shù)據(jù)采集模塊：
本系統(tǒng)選擇了4塊NI PXIe-4300模擬輸入模塊配合TB-4300接線端子作為電壓數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡擁有8個同步采樣的模擬輸入通道，其最高采樣率為250kS/s。滿足了系統(tǒng)設(shè)計的要求。這款采集卡的每個通道都是差分通道，并且擁有獨立的ADC，通道之間是相互隔離的。這個特點為在電磁環(huán)境機器惡劣的土木離心機上進行可靠的數(shù)據(jù)采集提供保障。
與TB-4300B接線端子配合，該數(shù)采卡可采集最高達(dá)300V的電壓，為采集較高的電壓信號提供了方便。
4. 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集模塊：
本系統(tǒng)采用了4塊NI PXIe-4330電橋輸入模塊配合TB-4330接線端子作為應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡擁有8個同步采樣的模擬輸入通道，其最高采樣率為25kS/s，滿足了系統(tǒng)設(shè)計的要求。
該采集卡擁有每通道24位獨立ADC、抗混疊濾波器、每通道軟件可選的激勵電壓 (0.625 V至10 V)、各路通道的內(nèi)置可編程1/4橋、半橋式和全橋式電阻與分路校準(zhǔn)。為高精度測量和快速配置提供了方便。
土工離心機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺
三、 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計與實現(xiàn)：
本系統(tǒng)的軟件使用LabVIEW編寫，模塊化、圖形式的編程方式極大的方便了測控程序的編寫，節(jié)省了開發(fā)時間。
數(shù)據(jù)采集：DAQmx模塊對NI數(shù)采卡的完美支持，使對數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、存儲以及單位換算等方面的程序編寫都非常的方便快捷。
用戶界面：利用LabVIEW 中的VI服務(wù)器技術(shù)可以方便的控制用戶界面。通過對窗口對象的屬性節(jié)點進行設(shè)置，可以實現(xiàn)多窗口界面的自動調(diào)整。
網(wǎng)絡(luò)傳輸：在LabVIEW中有TCP/IP模塊。利用該模塊可以快速的進行網(wǎng)絡(luò)編程，實現(xiàn)PXI系統(tǒng)和終端機之間的通信。通過建立并行的循環(huán)（多線程），實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信中斷的情況下采集系統(tǒng)不會受其影響而中斷，從而最大程度的保證了數(shù)據(jù)的安全，避免重要數(shù)據(jù)的丟失。
程序主界面
通道配置界面
四、 加固與抗干擾設(shè)計與實現(xiàn)：
土木離心機的工作過環(huán)境可謂非常惡劣。在離心機滿功率運行時，吊籃中的重力加速度最高可達(dá)300G。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所在的位置比較靠近軸心，即使如此系統(tǒng)所承受的加速度也會達(dá)到30G。
離心機在運行時會高速轉(zhuǎn)動懸臂，產(chǎn)生非常大的風(fēng)壓，也會對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。在高速轉(zhuǎn)動的情況下，離心機的電磁環(huán)境也非常復(fù)雜，會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。
為了適應(yīng)如此惡劣的工作環(huán)境，首先我們對系統(tǒng)進行了機械加固，來應(yīng)對高重力環(huán)境，除了選擇本身就比較堅固的NI PXIe-1085機箱外，對購買來的機箱內(nèi)部還要在適當(dāng)?shù)奈恢米龆渭庸蹋热纾涸瓉淼臋C箱使用普通的電源適配插座，這在實驗室中使用沒有任何問題，但是在離心機上使用就會因為高重力環(huán)境造成系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中電源線甩脫，從而造成停機事故。因此，我們將買來的1085機箱拆開，將原來的普通電源適配座換成SCHURTER帶鎖止結(jié)構(gòu)的適配座，電源線也換成配套的帶鎖扣的插頭的電源線。
帶鎖止機構(gòu)的電源適配座與插頭
加固的時候要考慮周全，任何一個細(xì)節(jié)都不能漏掉，否則可能會因為一個小的疏忽而造成嚴(yán)重的事故。
對于復(fù)雜的電磁環(huán)境我們除了選擇具有隔離特性的數(shù)采卡、采用差分?jǐn)?shù)據(jù)采集、使用屏蔽電纜等措施外，在軟件處理上也下了一番功夫，采用了自適應(yīng)濾波等手段去除特定頻段的電磁干擾。
經(jīng)過實際上機測試證實了這數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高重力、高風(fēng)壓的環(huán)境下工作正常，并且抗電磁干擾的能力很強，采集到的數(shù)據(jù)符合預(yù)期目標(biāo)，證明該系統(tǒng)完全滿足設(shè)計要求。
五、 總結(jié)：
NI PXI平臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備和LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境相結(jié)合，可以快速有效的搭建復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過對硬件的精心選擇和相關(guān)軟件的編寫，可以使該系統(tǒng)在高重力、高風(fēng)壓、電磁環(huán)境惡劣的土木離心機上正常工作，并且采集到準(zhǔn)確、可信的數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)搭建與測試過程中得到了實驗室梁建輝主任與宋獻(xiàn)慧工程師鼎力協(xié)助，在此深表謝意。
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