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作者:
齊 羽 -
蔡 志斌 -
一、引言：
土工離心機(jī)是修建水電站、大壩、橋梁、機(jī)場(chǎng)等重要基建設(shè)施必不可少的大型試驗(yàn)設(shè)備，中國(guó)水電科學(xué)研究院具有國(guó)內(nèi)最大的土工離心機(jī)試驗(yàn)裝置。該裝置可提供300g的重力場(chǎng)，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(tái)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(jī)
二、 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：
根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，本系統(tǒng)包括一下幾個(gè)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(jī)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(hào)。
- 可同步采集32路應(yīng)變信號(hào)。
- 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄并顯示。
- 控制與監(jiān)測(cè)終端：臺(tái)式計(jì)算機(jī)、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(jī)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(hào)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(gè)插槽。考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，我們選擇了NI-PXIe 1085 18槽機(jī)箱。這款機(jī)箱擁有16個(gè)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(kuò)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(jì)要求。
通過(guò)實(shí)際上機(jī)實(shí)驗(yàn)，NI-PXIe 1085經(jīng)受住了土木離心機(jī)上高重力的考驗(yàn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的堅(jiān)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(yùn)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(gè)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(jì)的要求。這款采集卡的每個(gè)通道都是差分通道，并且擁有獨(dú)立的ADC，通道之間是相互隔離的。這個(gè)特點(diǎn)為在電磁環(huán)境機(jī)器惡劣的土木離心機(jī)上進(jìn)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(hào)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(gè)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(jì)的要求。
該采集卡擁有每通道24位獨(dú)立ADC、抗混疊濾波器、每通道軟件可選的激勵(lì)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(cè)量和快速配置提供了方便。
土工離心機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)
三、 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)控程序的編寫，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
數(shù)據(jù)采集：DAQmx模塊對(duì)NI數(shù)采卡的完美支持，使對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)置、數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)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(guò)對(duì)窗口對(duì)象的屬性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)多窗口界面的自動(dòng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)PXI系統(tǒng)和終端機(jī)之間的通信。通過(guò)建立并行的循環(huán)（多線程），實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信中斷的情況下采集系統(tǒng)不會(huì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)：
土木離心機(jī)的工作過(guò)環(huán)境可謂非常惡劣。在離心機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)，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(huì)達(dá)到30G。
離心機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂，產(chǎn)生非常大的風(fēng)壓，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，離心機(jī)的電磁環(huán)境也非常復(fù)雜，會(huì)對(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)械加固，來(lái)應(yīng)對(duì)高重力環(huán)境，除了選擇本身就比較堅(jiān)固的NI PXIe-1085機(jī)箱外，對(duì)購(gòu)買來(lái)的機(jī)箱內(nèi)部還要在適當(dāng)?shù)奈恢米龆渭庸蹋热纾涸瓉?lái)的機(jī)箱使用普通的電源適配插座，這在實(shí)驗(yàn)室中使用沒(méi)有任何問(wèn)題，但是在離心機(jī)上使用就會(huì)因?yàn)楦咧亓Νh(huán)境造成系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中電源線甩脫，從而造成停機(jī)事故。因此，我們將買來(lái)的1085機(jī)箱拆開(kāi)，將原來(lái)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(jī)構(gòu)的電源適配座與插頭
加固的時(shí)候要考慮周全，任何一個(gè)細(xì)節(jié)都不能漏掉，否則可能會(huì)因?yàn)橐粋�(gè)小的疏忽而造成嚴(yán)重的事故。
對(duì)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(guò)實(shí)際上機(jī)測(cè)試證實(shí)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(qiáng)，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(jì)要求。
五、 總結(jié)：
NI PXI平臺(tái)數(shù)據(jù)采集設(shè)備和LabVIEW軟件開(kāi)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(guò)對(duì)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(jī)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(cè)試過(guò)程中得到了實(shí)驗(yàn)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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