基于CompactRIO的多通道24位数据采集模块设计

摘要

随着交通运输中桥梁所占据的地位日益重要，不断进步的桥梁设计水平和施工技术使得桥梁规模不断有新的突破，所设计出来的桥梁也变得越来越复杂，桥梁建设正朝着规模大型化、形式轻巧化、功能和结构复杂化等方向发展。但是，目前国内交通运输设施中中、老龄桥梁的数目相当巨大，随着桥龄的不断增长，加之各种自然因素以及各种人为事故的影响，很多桥梁已经开始出现各种各样的功能性衰退。
　　 在这种情势下，建立一个与桥梁建设相适应相匹配的综合评估与桥梁监测系统成为桥梁界研究的一个重要热点，其意义极为重要。使用传统的人工进行勘察和检测的方式来维护和监测大型桥梁需要耗费大量的财力、人力和物力，这种方式不仅效率低下，而且更是很难满足日益增多的桥梁所需的桥梁监测任务。
　　 与传统的人工勘察和检测的方式相比较，使用智能化的数据采集系统进行桥梁振动监测不仅可以大大减少监测桥梁振动和桥梁异常的成本，而且智能化的数据采集系统可以实时的得到监测结果，当桥梁运行出现异常时可以及时的发现并避免桥梁异常导致的危害。
　　 CompactRIO即为智能化的可重复配置的控制和数据采集系统，小巧而坚固的特性以及可重复配置的灵活性使得其适用于桥梁振动的检测。CompactRIO系统可以针对不同的数据采集要求，选择不同的数据采集模块与CompactRIO机箱进行配合使用以达到应用要求，NI公司为CompactRIO系统提供了各种不同的数据采集模块，但其中缺少专为桥梁或房屋振动监测所需的采集模块，其要求高精度、低噪声、多通道。因此本设计即为了满足这样的设计要求而单独设计了基于CompactRIO系统的数据采集模块，本设计实现了一个带自校准功能的高精度、低噪声、多通道数据采集模块。
　　 本设计所完成的数据采集模块集成度高，在73.38mm×66.04mm的面积内实现了6通道24位的数据采集，THD优于-108dB，噪声RMS低于1.2uV，采样率从250SPS到4000SPS，可满足桥梁振动监测的要求。此外模块还根据内部精确参考源对ADC进行偏移和增益校准，提高了通道的幅度一致性。测试表明经过内部增益校准可以将幅度一致性从1.5％以内提高到5ppm以内。论文将从桥梁振动监测背景、采集模块软硬件结构、采集系统软硬件实现、内部自校准功能实现以及采集模块性能测试和总结等方面对采集模块进行阐述。
　　 第一章为绪论，对论文的应用背景做了简要的介绍，包括桥梁监测的发展状况以及本文的研究内容和研究意义。第二章主要内容为CompactRIO和LabVIEW。介绍了CompactRIO系统的结构以及应用范围，LabVIEW的操作环境和虚拟仪器的发展。
　　 第三章的内容为整个数据采集系统的软硬件结构，包括整个CompactRIO系统在不同工作模式下的整体硬件结构和数据采集模块的硬件结构，以及介绍了CompactRIO系统的软件工作过程和模块内部FPGA上电后的软件工作过程和模块对主机发送的命令的响应过程。
　　 第四章为数据采集模块实现内部自校准功能的硬件结构和软件实现方式，包括硬件结构选择的依据和软件实现的方式。
　　 第五章为采集模块的性能参数测试。给出了包括噪声、总谐波畸变、通道间幅度一致性和时间一致性。最后对比了经过校准和未经过校准的通道间幅度一致性差别，表面增益校准能够改善幅度一致性。
　　 第六章为总结和展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 桥梁健康监测的基本概念

1.3 桥梁健康监测系统结构

1.3.1 采集测量部分

1.3.2 数据传输部分

1.3.3 数据分析处理和控制部分

1.4 主要理论研究进展

1.5 桥梁检测前端传感器原理

1.5.1 智能化桥梁监测系统的优点

1.5.2 CompactRIO系统用于桥梁监测系统

1.5.3 桥梁监测的要求

1.5.4 数据采集模块特点

1.6 国内外桥梁监测系统的现状

第二章 CompactRIO系统及LabVIEW介绍

2.1 CompactRIO介绍

2.1.1 CompactRIO概述

2.1.2 CompactRIO嵌入式系统硬件结构

2.1.3 CompactRIO扩展机箱和远程高速接口系统

2.1.4 尺寸、重量和性能

2.2 LabVIEW介绍

2.2.1 LabVIEW概述

2.2.2 虚拟仪器(VI)的概念

2.2.3 图形化编程特点

2.2.4 LabVIEW的应用领域

第三章 系统硬件结构及软件实现

3.1 CompactRIO系统整体结构

3.1.1 单模块数据采集模式硬件结构

3.1.2 单机箱同步数据采集模式硬件结构

3.1.3 多机箱同步数据采集模式硬件结构

3.2 数据采集模块硬件结构

3.2.1 采集模块整体硬件结构

3.2.2 系统控制部分

3.2.3 数据采集部分

3.2.4 时钟、电源部分及IO器件

3.3 数据采集模块软件实现

3.3.1 软件总体实现过程

3.3.2 配置ADC过程实现

3.3.3 模块数据采集过程实现

3.3.4 采集模块可接收的命令

3.3.5 外部主机、EEPROM、FPGA共用SPI的实现

3.4 主机软件实现

3.4.1 Operation Mode模式下主机软件功能

3.4.2 ID Mode模式下主机软件功能

第四章 内部自校准功能的实现

4.1 内部自校准功能的作用

4.2 内部自校准功能硬件实现

4.2.1 校准电压源

4.2.2 多路复用器

4.2.3 运算放大器的作用

4.2.4 ADC信号输入电路

4.3 内部自校准功能的软件实现

4.3.1 整体实现过程

4.3.2 偏移校准实现

4.3.3 增益校准实现

第五章 模块性能测试

5.1 等效输入噪声RMS

5.1.1 测试原理

5.1.2 测试步骤及算法

5.1.3 测试结果:

5.2 谐波畸变

5.2.1 测试原理及方法

5.2.2 测试步骤及算法

5.2.3 测试结果:

5.3 通道间幅度一致性

5.3.1 测试原理

5.3.2 测试步骤

5.3.3 测试结果

5.4 通道间时间一致性

5.4.1 测试原理

5.4.2 测试步骤

5.4.3 测试结果

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.1.1 本论文主要内容

6.1.2 研究工作内容

6.1.3 数据采集模块特点总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文和参与的科研项目