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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、機場等重要基建設施必不可少的大型試驗設備，中國水電科學研究院具有國內最大的土工離心機試驗裝置。該裝置可提供300g的重力場，有效負載1500kg，其工作環境極其惡劣：數據采集設備要耐受極大的加速度、風壓、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最終戰勝了這些苛刻條件，精準的采集到了所需數據。
土工離心機
二、 硬件平臺的設計與實現：
根據系統的功能需求，本系統包括一下幾個部分：
- 傳感器：包括激光傳感器、應變傳感器等等。
- 數據采集系統：包括PXI機箱、控制器、數據采集卡與屏蔽電纜。
- 可同步采集32路隔離的差分電壓信號。
- 可同步采集32路應變信號。
- 數據實時記錄并顯示。
- 控制與監測終端：臺式計算機、網絡設備。
系統結構示意圖
下面分別介紹硬件系統的主要組成部分:
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路應變信號采集通道),需要使用總共8塊數據采集卡，也就是占據了8個插槽。考慮到系統的可擴展性，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的系統帶寬。這充分滿足了大數據量吞吐的設計要求。
通過實際上機實驗，NI-PXIe 1085經受住了土木離心機上高重力的考驗，其機械結構的堅固程度打到了系統要求。
2. PXIe控制器：
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本系統采用了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的內存（最大16GB）。高性能的處理器保證了系統的流程穩定的運行。
3. 電壓數據采集模塊：
本系統選擇了4塊NI PXIe-4300模擬輸入模塊配合TB-4300接線端子作為電壓數據采集卡。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。滿足了系統設計的要求。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境機器惡劣的土木離心機上進行可靠的數據采集提供保障。
與TB-4300B接線端子配合，該數采卡可采集最高達300V的電壓，為采集較高的電壓信號提供了方便。
4. 應變數據采集模塊：
本系統采用了4塊NI PXIe-4330電橋輸入模塊配合TB-4330接線端子作為應變數據采集卡。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，滿足了系統設計的要求。
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)、各路通道的內置可編程1/4橋、半橋式和全橋式電阻與分路校準。為高精度測量和快速配置提供了方便。
土工離心機數據采集系統硬件平臺
三、 數據采集軟件設計與實現：
本系統的軟件使用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，節省了開發時間。
數據采集：DAQmx模塊對NI數采卡的完美支持，使對數據采集卡的設置、數據的采集、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服務器技術可以方便的控制用戶界面。通過對窗口對象的屬性節點進行設置，可以實現多窗口界面的自動調整。
網絡傳輸：在LabVIEW中有TCP/IP模塊。利用該模塊可以快速的進行網絡編程，實現PXI系統和終端機之間的通信。通過建立并行的循環（多線程），實現在網絡通信中斷的情況下采集系統不會受其影響而中斷，從而最大程度的保證了數據的安全，避免重要數據的丟失。
程序主界面
通道配置界面
四、 加固與抗干擾設計與實現：
土木離心機的工作過環境可謂非常惡劣。在離心機滿功率運行時，吊籃中的重力加速度最高可達300G。數據采集系統所在的位置比較靠近軸心，即使如此系統所承受的加速度也會達到30G。
離心機在運行時會高速轉動懸臂，產生非常大的風壓，也會對數據采集系統產生很大的影響。在高速轉動的情況下，離心機的電磁環境也非常復雜，會對系統產生嚴重的干擾。
為了適應如此惡劣的工作環境，首先我們對系統進行了機械加固，來應對高重力環境，除了選擇本身就比較堅固的NI PXIe-1085機箱外，對購買來的機箱內部還要在適當的位置做二次加固，比如：原來的機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境造成系統在運轉過程中電源線甩脫，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帶鎖止結構的適配座，電源線也換成配套的帶鎖扣的插頭的電源線。
帶鎖止機構的電源適配座與插頭
加固的時候要考慮周全，任何一個細節都不能漏掉，否則可能會因為一個小的疏忽而造成嚴重的事故。
對于復雜的電磁環境我們除了選擇具有隔離特性的數采卡、采用差分數據采集、使用屏蔽電纜等措施外，在軟件處理上也下了一番功夫，采用了自適應濾波等手段去除特定頻段的電磁干擾。
經過實際上機測試證實了這數據采集系統在高重力、高風壓的環境下工作正常，并且抗電磁干擾的能力很強，采集到的數據符合預期目標，證明該系統完全滿足設計要求。
五、 總結：
NI PXI平臺數據采集設備和LabVIEW軟件開發環境相結合，可以快速有效的搭建復雜的數據采集系統。通過對硬件的精心選擇和相關軟件的編寫，可以使該系統在高重力、高風壓、電磁環境惡劣的土木離心機上正常工作，并且采集到準確、可信的數據。
在系統搭建與測試過程中得到了實驗室梁建輝主任與宋獻慧工程師鼎力協助，在此深表謝意。
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