基于PXI平台的大型土工离心机综合数据采集系统的设计与实现

作者:

齐 羽 -
蔡 志斌 -

一、             引言：

          土工离心机是修建水电站、大坝、桥梁、机场等重要基建设施必不可少的大型试验设备，中国水电科学研究院具有国内最大的土工离心机试验装置。该装置可提供300g的重力场，有效负载1500kg，其工作环境极其恶劣：数据采集设备要耐受极大的加速度、风压、电磁干扰等，我们建立的基于PXI平台的多通道高精度采集系统最终战胜了这些苛刻条件，精准的采集到了所需数据。

二、             硬件平台的设计与实现：

          根据系统的功能需求，本系统包括一下几个部分：

1. 传感器：包括激光传感器、应变传感器等等。
2. 数据采集系统：包括PXI机箱、控制器、数据采集卡与屏蔽电缆。
   1. 可同步采集32路隔离的差分电压信号。
   2. 可同步采集32路应变信号。
   3. 数据实时记录并显示。
3. 控制与监测终端：台式计算机、网络设备。

下面分别介绍硬件系统的主要组成部分:

    1. PXIe机箱：

          由于需要的采集通道较多(包含32路差分电压采集通道和32路应变信号采集通道),需要使用总共8块数据采集卡，也就是占据了8个插槽。考虑到系统的可扩展性，我们选择了NI-PXIe 1085 18槽机箱。这款机箱拥有16个混合插槽，可以兼容PXI Express板卡，32-bit CompactPCI板卡以及混合兼容PXI板卡（又称之为PXI Express-ready或者PXIe-ready），充分满足了系统可扩展性的要求。NI-PXIe 1085还拥有每插槽4 GB/s的专用带宽，12 GB/s的系统带宽。这充分满足了大数据量吞吐的设计要求。

          通过实际上机实验，NI-PXIe 1085经受住了土木离心机上高重力的考验，其机械结构的坚固程度打到了系统要求。

    2. PXIe控制器：

1. 本系统采用了NI PXIe-8135控制器。这款控制器拥有2.3 GHz四核Intel 酷睿i7处理器 ，和牧人4GB的内存（最大16GB）。高性能的处理器保证了系统的流程稳定的运行。

    

    3.  电压数据采集模块：

          本系统选择了4块NI PXIe-4300模拟输入模块配合TB-4300接线端子作为电压数据采集卡。该采集卡拥有8个同步采样的模拟输入通道，其最高采样率为250kS/s。满足了系统设计的要求。这款采集卡的每个通道都是差分通道，并且拥有独立的ADC，通道之间是相互隔离的。这个特点为在电磁环境机器恶劣的土木离心机上进行可靠的数据采集提供保障。

          与TB-4300B接线端子配合，该数采卡可采集最高达300V的电压，为采集较高的电压信号提供了方便。

    4. 应变数据采集模块：

          本系统采用了4块NI PXIe-4330电桥输入模块配合TB-4330接线端子作为应变数据采集卡。该采集卡拥有8个同步采样的模拟输入通道，其最高采样率为25kS/s，满足了系统设计的要求。

          该采集卡拥有每通道24位独立ADC、抗混叠滤波器、每通道软件可选的激励电压 (0.625 V至10 V)、各路通道的内置可编程1/4桥、半桥式和全桥式电阻与分路校准。为高精度测量和快速配置提供了方便。

三、             数据采集软件设计与实现：

          本系统的软件使用LabVIEW编写，模块化、图形式的编程方式极大的方便了测控程序的编写，节省了开发时间。

数据采集：DAQmx模块对NI数采卡的完美支持，使对数据采集卡的设置、数据的采集、存储以及单位换算等方面的程序编写都非常的方便快捷。

用户界面：利用LabVIEW 中的VI服务器技术可以方便的控制用户界面。通过对窗口对象的属性节点进行设置，可以实现多窗口界面的自动调整。

网络传输：在LabVIEW中有TCP/IP模块。利用该模块可以快速的进行网络编程，实现PXI系统和终端机之间的通信。通过建立并行的循环（多线程），实现在网络通信中断的情况下采集系统不会受其影响而中断，从而最大程度的保证了数据的安全，避免重要数据的丢失。

四、             加固与抗干扰设计与实现：

         土木离心机的工作过环境可谓非常恶劣。在离心机满功率运行时，吊篮中的重力加速度最高可达300G。数据采集系统所在的位置比较靠近轴心，即使如此系统所承受的加速度也会达到30G。

         离心机在运行时会高速转动悬臂，产生非常大的风压，也会对数据采集系统产生很大的影响。在高速转动的情况下，离心机的电磁环境也非常复杂，会对系统产生严重的干扰。

          为了适应如此恶劣的工作环境，首先我们对系统进行了机械加固，来应对高重力环境，除了选择本身就比较坚固的NI PXIe-1085机箱外，对购买来的机箱内部还要在适当的位置做二次加固，比如：原来的机箱使用普通的电源适配插座，这在实验室中使用没有任何问题，但是在离心机上使用就会因为高重力环境造成系统在运转过程中电源线甩脱，从而造成停机事故。因此，我们将买来的1085机箱拆开，将原来的普通电源适配座换成SCHURTER带锁止结构的适配座，电源线也换成配套的带锁扣的插头的电源线。

      加固的时候要考虑周全，任何一个细节都不能漏掉，否则可能会因为一个小的疏忽而造成严重的事故。

         对于复杂的电磁环境我们除了选择具有隔离特性的数采卡、采用差分数据采集、使用屏蔽电缆等措施外，在软件处理上也下了一番功夫，采用了自适应滤波等手段去除特定频段的电磁干扰。

          经过实际上机测试证实了这数据采集系统在高重力、高风压的环境下工作正常，并且抗电磁干扰的能力很强，采集到的数据符合预期目标，证明该系统完全满足设计要求。

五、             总结：

         NI PXI平台数据采集设备和LabVIEW软件开发环境相结合，可以快速有效的搭建复杂的数据采集系统。通过对硬件的精心选择和相关软件的编写，可以使该系统在高重力、高风压、电磁环境恶劣的土木离心机上正常工作，并且采集到准确、可信的数据。

         在系统搭建与测试过程中得到了实验室梁建辉主任与宋献慧工程师鼎力协助，在此深表谢意。

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齐 羽