一．系统方案

整套采集系统可分为多个子系统，每个子系统包含以下两个单元：1套数据采集单元（内含信号转接、调理单元）；1套供电单元（可外配UPS）。 系统可通过增加子系统的方式方便的扩展采集通道数量。每个子系统可放入Pelican品牌拖箱(IP67)中以方便携带。

1.1数据采集单元

我们将数据采集单元与信号转接单元整合在一个威图便携式机箱中，能有效的抗冲击和随机振动。机箱内整体设计布局下图所示。为满足应用需求，机箱中内置了工业级Sixnet交换机和搭载高速固态硬盘的网络存储仪（NAS），方便采集数据的通信和存储。

采集核心采用NI Compact RIO平台。NI Compact RIO是一款高级嵌入式控制和采集系统，基于NI可重新配置I/O(RIO)技术。控制和采集系统厂商广泛使用现场可编程门阵列(FPGA)设备，因其具有性能优良、可重新配置、规格小巧和工程开发成本低等特点。Compact RIO系统由控制器、机箱（内置FPGA芯片）和采集模块构成。

每个CompactRIO I/O模块都具有内置式信号调理功能，包含螺栓端子、BNC或DSUB连接器。通过在模块上集成接线盒，CompactRIO系统大大降低了空间需求。同时有各种I/O类型可供选择，如±80 mV热电偶输入、±10V同步采样模拟输入/输出、配有1A电流驱动的24V工业数字I/O、用于编码器的5V调节电源输出的差分/TTL数字输入以及250 Vrm通用数字输入、GPS信号接收和同步模块等。由于可以插入多块模块，因此便于今后系统功能的扩展。

根据系统测试电压、电流、RTD温度和转速的应用需求（可定制），选用如下硬件：

1.2  信号转接单元

信号转接单元主要用于为传感器提供电源、采集传感器的输出信号。考虑到模块化的设计以及更换的方便，我们采用4块电路板（每块电路板含4通道接口）。4块电路板通过堆叠的方式分享电源及控制信号。

每个传感器通道由6路DPDT组成，分别控制传感器的输出电压和取样电阻。所有继电器的控制均通过9401控制外围I/O扩展模块完成（可通过上位机软件方便的对每一通道的供电电压和取样电阻进行设置）。继电器及PCB上的器件工作温度均满足-20－+65摄氏度的指标；为了保证测试的准确性取样电阻最大温漂低于15ppm，保证在宽温范围内测量的准确性。传感器对外使用7芯的Lemo接插件，保证信号传输的可靠性。

整体设计上，信号转接板可以模块化分拆，使得用户能够方便的替换机箱上任意一模块的信号（如将CAN通讯替换为电量采集卡）。

1.3  供电单元

考虑到外部传感器的功耗可能较大，我们采用独立的电源单元设计，将Cosel电源模块配合电路搭建成符合技术需求的电源机箱。在采集单元功耗不大时，可同时向三个采集单元供电。

选用符合铁路应用级别的Cosel电源模块负责将220V交流电/110V直流电通过几种DC-DC将其转换成需要的电压输出。同时交直流切换电路中增加了软开关，防止误触发。 该Cosel电源箱体，可为外部传感器提供+/-24V，+/-15V，+5V三档电压（可定制）；cRIO箱体也可接受外部10-32V的直流供电，但此时系统只提供+12V，不对传感器进行供电。

二．系统软件设计

VISN-D6 分布式数据采集系统软件设计采用易于扩展的状态机结构，以Data Service为核心实现数据采集、实时显示、数据分析、存储和回放等多个任务。通过底层FPGA的重采样算法保证多机箱间数据的同步采集。

2.1  系统软件结构

结构的底层是由cRIO构成的多个数据采集终端，它们负责对各自附近的不同类型的物理信号进行采集。这些采集终端中，有一个主站，其余都为从站。主站向各从站发出同步信号，确保所有采集终端进行同步采集。往上分别是数据服务器和数据采集及分析系统软件，它们运行于同一个上位机内。各采集终端与上位机通过工业以太网连接在一起。

各采集终端对外提供标准的用于数据采集控制的接口函数，按照上位机的控制要求完成数据采集任务，并将各通道数据通过以太网发送至位于上位机的数据服务器。

数据服务器负责对所有采集终端上的各通道数据进行汇总并实时进行特征值统计。数据采集及分析系统软件可通过标准的数据采集控制接口函数控制各采集终端，让他们协同完成一个数据采集任务；同时通过数据服务器，获取所有采集终端所有采集通道数据的统计信息及指定通道的数据。在线工作模式和离线工作模式分别从数据服务器中获取指定通道的实时数据和历史数据进行相应的分析与显示，完成一次具体的实验。

最终的用户界面上位机通过TCP/IP向各采集终端发送数据采集开始或停止命令，并显示主采集终端的数据采集任务时间进度，以及选择各通道信号数据的存储模式。如果有多台采集终端同时进行数据采集任务，需要将其中某一台设置为主站，其余的采集终端都设为从站。另外，需要在主站和各从站之间连接同步信号。在数据采集过程中，界面中的数据显示窗口实时显示各采集终端所有通道（包括物理通道和虚拟通道）信号的统计信息。其中第一列是个通道名，第二列是通道信息描述，第三列是单位，第四列和第五列是各通道的上下限值，第六列以后分别是各通道的瞬时值、最小值、最大值、均值和RMS值等统计值。数据显示窗口下方是各通道统计值的历史趋势图。

实时监测功能界面在数据采集过程中，如需对某些采集通道的信号数据进行实时监测和分析，可切换至实时监测功能页面，该页面有单波形窗口视图、上下双波形窗口视图及上下左右四波形窗口视图等选择。用户可以根据需要选择相关的参数设置，如窗函数、平均模式等。

三．设备试验及最终实测

通过以上原理搭建了一套车载原理验证样机，并搭载在汽车上进行测试。

为满足轨道交通应用复杂环境的需求，我们对搭建起来的6套子设备都进行了振动、防尘、可靠性连续运行、高负载测试等一系列实验，以保证设备在复杂环境下的优良表现。我们还将设备送往上海计量院进行校准测试，使得设备的各项测试精度满足要求。

我们的最终设备已经投入到地铁、动车及高铁的各项测试环节中，用于记录外部振动传感器的加速度信号。通过合理的设计和长期的现场实验验证了采用CompactRIO核心的用于轨道交通的数据采集系统的可靠性和易用性。