使用NI CompactRIO进行结构健康监测

CompactRIO平台是一种高级嵌入式数据采集与控制系统,专为需要高性能与高可靠性的应用而设计。系统基于开放的嵌入式体系结构、尺寸小、高度坚固、具有网络互联和丰富的传感器测量功能,这些特点使其成为结构健康和地震监测应用的理想选择。CompactRIO结合NI LabVIEW实时模块和LabVIEW FPGA技术,让您能够使用简单易用的图形化编程工具对CompactRIO嵌入式系统进行设计、编程和定制。

本文档是面向现场应用的结构健康监测资源集的一部分。

1. NI CompactRIO特性

  • 小型坚固的嵌入式数据采集和控制系统
  • 可热插拔的C系列测量模块,内置信号调理功能可与多种类型传感器直接连接
  • 嵌入式实时处理器和现场可编程门阵列(FPGA)芯片,用于可靠的独立操作或分布式操作
  • LabVIEW图形化编程工具加速系统开发
  • 通过以太网连接可以进行方便的Internet和网络接入
  • 极限工业认证和环境评级:
  • (1)-40至70℃(-40至158°F)工作温度
    (2)50 g防震等级
    (3)高达2,300 Vrms隔离(承受)
    (4)国际安全、EMC以及环境认证
    (5)针对恶劣工作环境的评级为1类2级

    CompactRIO系统包括一个实时控制器、一个可重配置机箱和若干测量I/O模块。可重配置机箱带有一个高性能FPGA,能够为高速传感器数据提供专用带宽,还提供了定时与I/O信号处理等底层定制功能。实时控制器包括一个工业级处理器,可以以联网或独立方式运行,控制器上还同时包含用于网络互联和通信功能的以太网口、内置Web服务器以及用于与外围设备连接的串口、USB端口、以及用于数据记录的非易失性存储器。

    图2:CompactRIO系统体系结构

    图2:CompactRIO系统体系结构

    2. C系列I/O模块
    NI提供的C系列模块是紧凑的测量与I/O模块,将信号连接、信号调理、A/D转换集成在一起,能够与多种传感器直接连接,满足动态采集与静态监测的需求。低噪声设计、带有内置抗混迭滤波器的24位A/D技术、高速A/D转换速率和电气隔离特性可以确保传感器数据采集的可靠性和准确性。

    表1列出的C系列模块可以支持结构监测应用中的常见传感器,例如应变计、加速度计、位移计以及多种环境传感器。要查看所有C系列模块的完整列表,请访问ni.com/compactrio/cseries。

    C系列模块

    描述

    应变计

    加速度计

    带有电压输出的位移计

    温度

    风速计(脉冲输出)

    其他电压输出或4-20 mA电流输出的传感器

    全桥

    半桥

    1/4桥

    IEPE

    V

    TC

    RTD

    脉冲

    V

    mA

    NI 9237

    4通道应变输入;24位

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    NI 9235/36

    8通道应变输入;四分之一桥;24位

     

     

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    NI 9234

    4通道IEPE传感器输入;24位

     

     

     

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    NI 9233

    4通道IEPE传感器输入;24位

     

     

     

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     NI 9219

    4通道通用模拟输入;24位

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    NI 9211

    4通道热电偶输入;24位

     

     

     

     

     

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    NI 9217

    4通道RTD(100Ω)输入;24位

     

     

     

     

     

     

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    NI 9239

    4通道10V输入;24位;通道间隔离

     

     

     

     

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    NI 9203

    8通道20mA输入;16位

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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    NI 94xx

    多个数字I/O模块(高达32通道)

     

     

     

     

     

     

     

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    表1:用于结构监测与测试的C系列模块举例

    3. 实时处理器和嵌入式FPGA
    CompactRIO嵌入式系统带有主频为400 MHz的工业级Freescale MPC5200处理器,它可以在可靠的Wind River VxWorks实时操作系统上以高度的时间确定性执行LabVIEW实时应用程序。同时可以使用600多个LabVIEW自带的函数实现您的多线程嵌入式系统,用于实时控制、分析、数据记录和通信应用中。您还可以将现有的C/C++代码与LabVIEW实时代码整合在一起,从而节省开发时间。

    CompactRIO机箱还包含一个嵌入式FPGA,它是一块高性能、可重配置的芯片,提供了匹配C系列I/O模块的接口。在将CompactRIO配置为扫描模式(Scan Mode)之后,无需对FPGA编程就可以完成所有C系列模块的定时与同步,将数据直接传送到LabVIEW实时系统中,进行本地处理、记录或通信。此外,您也可以使用LabVIEW FPGA工具直接对嵌入式FPGA进行图形化编程,并实现对模拟I/O和数字I/O的自定义定时、触发、同步、控制和信号处理等复杂功能。

    4. 本地数据存储器
    CompactRIO控制器中还包括了用于本地保存数据的非易失内存存储器。您可以选择从128 MB直至2 GB、带有容错能力文件系统的内置存储器。部分控制器还带有可连接USB闪存和内存设备的USB端口。此外,可选的NI 9802插入式模块提供了用于可移动SD内存卡的两个插槽。

    5. 通信与连接
    CompactRIO控制器带有10/100 Mb/s以太网端口和串行端口,可以通过TCP/IP、UDP、Modbus/TCP和串行协议进行通信。控制器还可以方便地进行Internet连接的内置Web服务器(HTTP)和文件服务器(FTP)。

    CompactRIO控制器

    10/100

    以太网端口

    RS232

    串行端口

    其他串行端口(RS232、RS485)

    远程前面板Web与FTP服务器

    NI 9012, 9014

    1

    1

    NI 9870(RS232)以及

    NI 9871(RS485/RS422)

    1

    1

    NI 9074

    2

    1

    表2:CompactRIO控制器通信端口一览表

    6. 适合现场使用的紧凑尺寸与坚固特性
    CompactRIO这样的坚固系统具有较宽的工作温度范围(-40至70℃)和高级别的抗震能力(高达50 g的抗震能力),是安装在桥梁和其他室外结构现场的理想选择。

    CompactRIO的紧凑尺寸和较高的I/O密度也有利于简化安装过程。CompactRIO机箱有4槽和8槽两种配置。请参阅表2了解尺寸选项。

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    产品

    NI 901x控制器和

    NI 9101/3机箱

    NI 901x控制器和

    NI 9101/4机箱

    NI 907x集成控制器

    I/O插槽

    4槽

    (每个插槽可以接4至32路模拟输入)

    8槽

    (每个插槽可以接4至32路模拟输入)

    8槽

    (每个插槽可以接4至32路模拟输入)

    尺寸

    179.6×90.2×88.1 mm

    (7.07×3.55×3.47英寸)

    274.1×90.2×88.1 mm

    (10.8×3.55×3.47英寸)

    286.4×87.9×88.1 mm

    (11.3×3.46×3.47英寸)

    表3:CompactRIO机箱/控制器物理尺寸一览表

    7. CompactRIO软件概述

    LabVIEW作为一个图形化开发环境,能够为高性能的数据采集和数据记录应用提供高度灵活性和简单易用性。您可以使用LabVIEW实时模块建立一个能够可靠运行在CompactRIO实时控制器上的程序,可以从600多个内置LabVIEW函数中进行选择,其中包括对I/O模块的直接访问,为实时控制、分析、数据记录和通信建立应用程序。您还可以将现有的C/C++代码与LabVIEW实时模块代码整合在一起。对于需要自定义定时与信号处理的应用而言,您可以使用LabVIEW FPGA模块,在CompactRIO机箱中对FPGA进行自定义编程。使用图形化编程在上位机上开发您的LabVIEW实时程序或LabVIEW FPGA程序,然后将程序下载到CompactRIO中。下载到CompactRIO中的程序可独立运行,或与其他系统连接成网络运行。当与其他PC或嵌入式触摸屏联网运行时,您还可以使用LabVIEW为CompactRIO系统快速建立人机界面(HMI)或其他用户接口。

    8. 其他资源

    要获得更多关于结构健康监测的资源,请访问结构健康与地震监测主页