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[導(dǎo)讀]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,

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。

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