基于NI CompactRIO和LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

一、引言 　　
近些年來，隨著人類對(duì)于海洋開發(fā)力度的增加，關(guān)于海洋方面的研究越來越廣泛深入。相應(yīng)地，海洋中各種環(huán)境物理場(chǎng)也成為了研究關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)于海洋環(huán)境物理場(chǎng)的了解，意味著人們可以更加熟悉海洋，利用其環(huán)境物理場(chǎng)的變化規(guī)律，使我們?cè)诤Ｑ蟮刭|(zhì)勘測(cè)、地震預(yù)警、海洋捕撈、石油勘探等領(lǐng)域，更加的方便、有效。
　　
而隨著海洋物理場(chǎng)水下物理場(chǎng)測(cè)量測(cè)試需求的增加，傳統(tǒng)的測(cè)試手段已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的測(cè)量需要，繁多的各物理場(chǎng)采集系統(tǒng)硬件設(shè)備測(cè)量靈活性差，系統(tǒng)的安全性和可靠性低的缺點(diǎn)，已嚴(yán)重限制了在需要多個(gè)環(huán)境物理場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量中的應(yīng)用。因此，對(duì)于一個(gè)小型化、智能化、布放便捷的海洋環(huán)境物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的研究開發(fā)已經(jīng)成為必需。
　　
二、硬件系統(tǒng)介紹：
　　
1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想：
　　本系統(tǒng)是基于海洋中多個(gè)環(huán)境物理場(chǎng)的綜合測(cè)量方法。海洋環(huán)境物理場(chǎng)包括多種物理環(huán)境，有傳統(tǒng)的聲、以及近些年來逐漸引入的磁、電、水壓，甚至于剛剛引起關(guān)注的光、熒光、地震波，各個(gè)物理場(chǎng)均有其特有的特性，這讓現(xiàn)有的水下物理場(chǎng)采集系統(tǒng)越來越無法滿足測(cè)量的需要；對(duì)于海洋的環(huán)境物理場(chǎng)，單點(diǎn)的測(cè)量系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足對(duì)于海洋環(huán)境物理場(chǎng)測(cè)量與分析的需求，而通過水下測(cè)量陣的多點(diǎn)探測(cè)，可以搜集到測(cè)量海域內(nèi)大量的海洋環(huán)境物理場(chǎng)數(shù)據(jù)，為研究人員準(zhǔn)確的確定物理場(chǎng)的參數(shù)提供了方便。  
同時(shí)，為了預(yù)測(cè)海洋環(huán)境物理場(chǎng)的變化趨勢(shì)，一個(gè)能夠長(zhǎng)期在水下工作的測(cè)量系統(tǒng)也是必須的。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要一個(gè)多點(diǎn)采集陣列，通過岸上的PC機(jī)，對(duì)水下的各個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行控制，各個(gè)采集點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳送到岸上，進(jìn)行顯示和處理，基于以上幾點(diǎn)考慮以及根據(jù)海上作業(yè)的特殊需要，我們對(duì)于本套系統(tǒng)提出的要求是：
　　
（1）智能化：靈活多樣的測(cè)量方式，因?yàn)樗碌亩喾N物理場(chǎng)，其對(duì)采樣率、采樣精度的要求不同；快捷、方便的采集軟件，利于程序員調(diào)試、測(cè)量人員操作；
         
（2）小型化：為了方便海上實(shí)測(cè)、布放的需要，以及對(duì)于水密艙的設(shè)計(jì)需要，小型的采集系統(tǒng)將是我們的首選。

（3）系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性：系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，這就要求系統(tǒng)水密性高，在海上要適應(yīng)不同的溫度條件，耐水流沖擊以及布放時(shí)的沖撞，同時(shí)，長(zhǎng)期工作時(shí)的功耗低，散熱性好，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

綜上考慮，在對(duì)多個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行綜合比較分析之后，我們選擇了NI公司的NI CompactRIO控制和采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫為RIO) FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)控制器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨(dú)立嵌入式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)；其多樣的熱插拔工業(yè)I/O模塊，內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號(hào)調(diào)理，均符合大多數(shù)海洋環(huán)境物理場(chǎng)測(cè)量的需要；優(yōu)良的抗震耐溫性能超越了老式的采集系統(tǒng)，保證了測(cè)試的可靠性與安全性；小巧的外形，使得系統(tǒng)的體積大大減少，方便了研究人員的海上布放與測(cè)量工作；較低的功耗，也使得系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性增強(qiáng)；同時(shí)，NI公司的LabVIEW和LabVIEW RT 模塊、LabVIEW FPGA模塊提供了良好的圖形化開發(fā)環(huán)境，利用LabVIEW軟件，可以快捷的設(shè)置NI cRIO采集模塊的采集屬性；對(duì)于整個(gè)水下測(cè)量系統(tǒng)，可以利用NI cRIO系統(tǒng)集成的接口設(shè)備以及便捷的軟件設(shè)置，將水下各個(gè)測(cè)量點(diǎn)方便的集成在一起，并通過網(wǎng)絡(luò)，和岸上工作站相連。
　　
2．硬件簡(jiǎn)介
　　
2.1 NI cRIO-9004特性指標(biāo)：
　　
配置有一個(gè)串口和10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，由此和其他設(shè)備及PC機(jī)連接；工作電壓范圍在11到30V之間，當(dāng)有8個(gè)采集通道同時(shí)工作的情況下，功耗只有24W；有512M的存儲(chǔ)空間以及64M的DRAM；LabVIEW RT操作系統(tǒng)。
　　
2.2 NI cRIO-9103特性指標(biāo)：
　　
4個(gè)模塊插槽；3百萬門可再配置FPGA系統(tǒng)；196KB RAM；
　　
2.3 cRIO-9233特性指標(biāo)：

通道數(shù)………4個(gè)模擬輸入通道
A/D轉(zhuǎn)換精度……………24 bits
數(shù)據(jù)采樣率…………2K/s～50K/s
時(shí)鐘頻率… …………12.8MHz

3．單個(gè)水下采集模塊硬件系統(tǒng)架構(gòu)
　　在多個(gè)水下物理場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)每個(gè)物理場(chǎng)的采樣要求并不相同，對(duì)于交變物理場(chǎng)，可以利用NI cRIO-9233采集器設(shè)置采樣率來采集，采樣率要求最高達(dá)到10K，而對(duì)于直流信號(hào)，系統(tǒng)中利用單片機(jī)，將信號(hào)采集進(jìn)來，通過NI cRIO-9004控制器的串口，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，進(jìn)行顯示和保存。
　　
海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量陣如圖1所示。
　　

　　圖1 海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量陣
　　
對(duì)于水下測(cè)量系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的布放是測(cè)量的一個(gè)重要組成部分，系統(tǒng)布放的成功與否直接影響了測(cè)量結(jié)果以及后期的數(shù)據(jù)分析與處理，系統(tǒng)在水下的姿態(tài)、位置正確，是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的保證。為此，我們?cè)谙到y(tǒng)中集成了姿態(tài)儀，通過它們掌握測(cè)量系統(tǒng)在水下的位置以及姿態(tài)信息，姿態(tài)信息同直流信號(hào)共用一個(gè)單片機(jī)來進(jìn)行采集控制，而數(shù)據(jù)利用串口通過單片機(jī)傳送給NI cRIO-9004，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)的顯控界面。
　　
單個(gè)水下采集模塊硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：
　
　
　　圖2 采集系統(tǒng)框架圖
　　
三、軟件系統(tǒng)介紹：
　　
1．軟件簡(jiǎn)介：
　　
軟件所使用的開發(fā)平臺(tái)為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最 強(qiáng)的圖形化開發(fā)平臺(tái)。它是一種適合任何編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境，定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素；它的擴(kuò)展函數(shù)庫面向數(shù)據(jù)采集、GPIB和串行儀器控制，以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；提供了與遵從GPIB、VXI、RS-232、RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡的全部功能，還內(nèi)置了TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，不需要編寫程序代碼，而是利用編程人員熟悉的術(shù)語，圖表和概念，來繪制程序流程圖，直觀清晰，并且包括了常用的程序調(diào)試工具，簡(jiǎn)化了程序的開發(fā)時(shí)間和難度。
　　
2．編程思路說明
　　
本系統(tǒng)的軟件編程主要是需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)物理場(chǎng)采集的控制，按需要的采樣率要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；將采集信號(hào)傳送到上位機(jī)的用戶界面上，實(shí)時(shí)顯示，方便測(cè)試人員對(duì)測(cè)量體的布放、調(diào)試以及對(duì)目標(biāo)的測(cè)量。
　　
對(duì)于本系統(tǒng)來說，工作的重點(diǎn)是編譯各個(gè)物理場(chǎng)采集控制模塊，并將各采集模塊同姿態(tài)儀控制模塊集成在一起，形成一個(gè)成熟的系統(tǒng)采集控制軟件，可以便捷的對(duì)各個(gè)采集模塊進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)的顯示采集結(jié)果、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，更重要的是要讓程序的采集模塊之間即不相互產(chǎn)生沖突，也不會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行速度的問題產(chǎn)生丟點(diǎn)和串道。
　　

　　圖3 程序流程圖
     
        
2.1 NI cRIO-9233控制采集部分
        
利用NI cRIO-9233采集水下物理場(chǎng)交變部分，軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題首先是要保證兩個(gè)NI cRIO-9233的同步，這在Project中通過設(shè)置兩個(gè)cRIO-9233的硬件屬性，可以將兩個(gè)NI cRIO-9233的時(shí)鐘設(shè)為同步，達(dá)到要求；其次是保證信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生丟點(diǎn)和串道，根據(jù)采樣率的要求，最高要達(dá)到10K的采樣率，選擇DMA FIFO的方式，可以解決這個(gè)問題。采集到的數(shù)據(jù)，通過對(duì)DMA的讀取，經(jīng)過二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)以及后期的數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，在程序中還集成了錯(cuò)誤報(bào)警，當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，可以及時(shí)的提醒測(cè)量人員。
　　
2.2 cRIO-9004與單片機(jī)的串口通信
　　
在本系統(tǒng)中，集成了對(duì)于海洋環(huán)境物理場(chǎng)直流信號(hào)的采集模塊以及姿態(tài)儀與漏水報(bào)警的控制和數(shù)據(jù)采集模塊，利用單片機(jī)控制各個(gè)模塊的采集，將信號(hào)通過串口傳給NI cRIO-9004，并在上位機(jī)顯示與存儲(chǔ)。
　　
姿態(tài)儀和環(huán)境物理場(chǎng)采集模塊的工作通過上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行切換，方便測(cè)量人員的觀測(cè)和控制，同時(shí)，當(dāng)漏水報(bào)警啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)將傳送報(bào)警信號(hào)而不再發(fā)送其他信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)的判斷，進(jìn)行軟件報(bào)警。
　　
在對(duì)水下測(cè)量體進(jìn)行布放的時(shí)候，程序發(fā)送姿態(tài)儀工作指令給單片機(jī)，然后，讀取串口數(shù)據(jù)，并按照姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)傳輸格式，將從串口得到的姿態(tài)儀數(shù)據(jù)提取出來并顯示，同時(shí)增加報(bào)警判斷，根據(jù)需要設(shè)定姿態(tài)判斷規(guī)則，當(dāng)系統(tǒng)姿態(tài)達(dá)到一定的角度，程序開始報(bào)警。
　　
FPGA.vi的程序部分
　
　
　　 圖4 FPGA.vi的程序部分
　　
當(dāng)水下測(cè)量體姿態(tài)穩(wěn)定之后，通過程序設(shè)定的切換按鈕，給單片機(jī)發(fā)送指令，結(jié)束姿態(tài)儀數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送穩(wěn)恒物理場(chǎng)傳感器工作指令，開始穩(wěn)恒物理場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸格式，讀出串口中的字符串，并將其分解，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)值，并根據(jù)規(guī)則將其換算為實(shí)際的物理量，顯示出來。
　
　
　　圖5 上位機(jī)中DMA的數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)換

 四、結(jié)論

        
本文討論了基于National Instruments公司的NI CompactRIO控制和采集系統(tǒng)和圖形化的編程開發(fā)平臺(tái)LabVIEW而構(gòu)建的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。由于很好的利用了NI CompactRIO——小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)靈活，可靠等多項(xiàng)特性，并且結(jié)合了LabVIEW這一強(qiáng)大、高效的軟件開發(fā)平臺(tái)，使得整個(gè)自動(dòng)化控制和采集系統(tǒng)能成功的應(yīng)用于海洋環(huán)境多物理場(chǎng)的測(cè)量中，解決了傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)體積龐大，靈活性差，且操作繁瑣的難題。這也使海上實(shí)驗(yàn)變得更加的方便、快捷和易于維護(hù)。通過已研制樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，其多點(diǎn)同測(cè)，穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)便捷，靈活小巧，低功耗，布放方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，很好地證明了測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足海上多種物理場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的不同參數(shù)要求。該系統(tǒng)的成功開發(fā)，也展現(xiàn)了NI公司的虛擬儀器技術(shù)在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)的良好應(yīng)用前景，為今后海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量陣的研制提供了極為有力的參考。