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(huán)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(tǒng)最終戰(zhàn)勝了這些苛刻條件，精準的采集到了所需數據。

二、硬件平臺的設計與實現：

    根據系統(tǒng)的功能需求，本系統(tǒng)包括一下幾個部分：     1.傳感器：包括激光傳感器、應變傳感器等等。     2.數據采集系統(tǒng)：包括PXI機箱、控制器、數據采集卡與屏蔽電纜。    

         1.可同步采集32路隔離的差分電壓信號。          2.可同步采集32路應變信號。          3.數據實時記錄并顯示。     3.控制與監(jiān)測終端：臺式計算機、網絡設備。

    下面分別介紹硬件系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)要求。

    2. PXIe控制器：     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)定的運行。

    3.電壓數據采集模塊：

    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(tǒng)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(huán)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(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(tǒng)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。

三、數據采集軟件設計與實現：

    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控程序的編寫，節(jié)省了開發(fā)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(jié)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(tǒng)和終端機之間的通信。通過建立并行的循環(huán)（多線程），實現在網絡通信中斷的情況下采集系統(tǒng)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。

四、加固與抗干擾設計與實現：

    土木離心機的工作過環(huán)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(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(tǒng)產生很大的影響。在高速轉動的情況下，離心機的電磁環(huán)境也非常復雜，會對系統(tǒng)產生嚴重的干擾。

    為了適應如此惡劣的工作環(huán)境，首先我們對系統(tǒng)進行了機械加固，來應對高重力環(huán)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(huán)境造成系統(tǒng)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。

    加固的時候要考慮周全，任何一個細節(jié)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(huán)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(tǒng)在高重力、高風壓的環(huán)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(tǒng)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(fā)環(huán)境相結合，可以快速有效的搭建復雜的數據采集系統(tǒng)。通過對硬件的精心選擇和相關軟件的編寫，可以使該系統(tǒng)在高重力、高風壓、電磁環(huán)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(tǒng)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(xié)助，在此深表謝意。