基于Lab Windows/CVI的激光聲遙感系統(tǒng)方案設(shè)計

1　引言

Windows操作系統(tǒng)因其卓越的性能已成為各個領(lǐng)域廣泛采用的操作系統(tǒng)平臺，由于Windows對系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，因而對用戶而言，系統(tǒng)變得更為安全，但這卻給眾多的硬件或者系統(tǒng)軟件開發(fā)人員帶來了不小的困難，因?yàn)橹灰獞?yīng)用中涉及到底層的操作，如直接訪問I/O端口和物理內(nèi)存等，開發(fā)人員就不得不深入到Windows的內(nèi)核去編寫屬于系統(tǒng)級的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序。筆者開發(fā)的激光聲遙感系統(tǒng)顯控軟件中涉及到物理內(nèi)存的訪問和信號波形的顯示，如采用VC++等語言開發(fā)，一方面開發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)動程序工作難度較大，另外波形的顯示及選取定位等工作實(shí)現(xiàn)起來也較繁雜，而如果在Lab Windows/CVI環(huán)境下完成這一工作，這一切將變得十分輕松，而且使系統(tǒng)的性能更加出色。

2　關(guān)于Lab windows/CVI

Lab Windows/CVI 是美國NI(National Instrument)公司開發(fā)的Measurement Studio軟件組中的一員，是32位的面向計算機(jī)測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，可在Windows 98/NT/2000等操作系統(tǒng)下運(yùn)行。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來。它的交互式開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立自動化檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。當(dāng)前的最新版本Lab Windows/CVI 7.0更因其完全集成的工作平臺(Workspace)、可生成代碼的硬件配置助手以及經(jīng)重新設(shè)計的數(shù)據(jù)采集界面為廣大用戶提供更靈活、高效又長期穩(wěn)定的ANSI C編程，大幅增加了開發(fā)速度。它的用戶界面函數(shù)庫除了提供一般程序設(shè)計語言提供的控件外，還擴(kuò)展了新的完善的帶有圖像、標(biāo)記和分欄功能的樹型控件、圖形圖例控件、以及“open GL”控件 等；新的圖形控件具有平滑顯示，抗混疊, 內(nèi)置DataSocket以及另一個x軸的功能，能更有效地顯示測量數(shù)據(jù)。另外，Lab Windows/CVI還支持多線程編程及物理內(nèi)存訪問，它不僅提供了用來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和讀取的內(nèi)存管理函數(shù)，還在Utility函數(shù)庫中提供了利用物理地址對內(nèi)存直接訪問的Physical Memory Access子類，本文中顯控軟件的設(shè)計正是基于它這幾個方面的特性。

3、激光聲遙感系統(tǒng)概述

激光聲遙感系統(tǒng)是一種新型的水下目標(biāo)遙感探測系統(tǒng)，它通過對接收到的水下目標(biāo)反射的寬帶窄脈沖信號進(jìn)行實(shí)時處理來實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)的探測和定位。因此，在軍事和國防建設(shè)中具有重要的意義。

系統(tǒng)的工作原理為高能激光束照射水面在水中產(chǎn)生高頻寬帶聲脈沖信號，信號在傳播的過程中遇到水下目標(biāo)發(fā)生散射或反射后有部分聲波會透過水面?zhèn)鞑サ娇諝庵?。在空中布放的聲陣將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號后送多波束接收機(jī)進(jìn)行采集、處理、顯示、分析，進(jìn)而確定水下目標(biāo)的方位和距離。

按系統(tǒng)要求，該接收機(jī)將完成對采樣率高達(dá)384KHz的8路信號的波束形成、檢波和短積分處理，并能夠?qū)崟r顯示14個波束的目標(biāo)信號方位─距離畫面及光標(biāo)所選目標(biāo)的方位、距離數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的DSP部分包括前置預(yù)處理分機(jī)、高速信號處理分機(jī)和顯示控制分機(jī)三個部分。其中前兩部分集成為專用的DSP分機(jī)，顯控分機(jī)采用高性能微機(jī)，二者通過PCI總線接口卡進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)信息的交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



圖1 數(shù)字多波束接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作時首先啟動顯控微機(jī)和DSP處理機(jī)，顯控微機(jī)啟動圖形用戶界面應(yīng)用程序，接收用戶設(shè)置輸入，并檢測激光系統(tǒng)發(fā)射信號；DSP分機(jī)中各采集處理模塊的DSP處理器完成初始化工作后等待啟動命令。激光系統(tǒng)發(fā)射后觸發(fā)主控微機(jī)向DSP分機(jī)發(fā)送增益設(shè)置命令及啟動信號。DSP分機(jī)對來自接收陣的信號進(jìn)行采集和計算，形成目標(biāo)的方位—距離波形數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)輸出雙口RAM中，數(shù)據(jù)滿一幀后由顯控微機(jī)進(jìn)行讀取、顯示，并可以文件形式進(jìn)行存儲。接收機(jī)作為微機(jī)的一個外圍設(shè)備，是按照數(shù)據(jù)空間進(jìn)行讀寫操作的，根據(jù)微機(jī)內(nèi)存資源配置情況，選擇了內(nèi)存的EXXXXH空間存儲14個波束的數(shù)據(jù)（字存?。噜弮蓚€波束數(shù)據(jù)交錯排列，處于同一區(qū)間，區(qū)間分配情況如下表所示。

表1 波束數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址分配表

4、顯控軟件設(shè)計

4.1顯控軟件功能

該程序負(fù)責(zé)啟動接收機(jī)工作，并完成14個波束的方位—距離數(shù)據(jù)顯示，它首先將輸入的增益值及波束號轉(zhuǎn)換為控制碼，然后以程序詢問的方式認(rèn)知發(fā)射機(jī)同步信號的到來，如接收到發(fā)射機(jī)同步信號，則控制接收機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，并將控制碼寫入接收機(jī)控制寄存器的指定位，最后將該次發(fā)射所得處理結(jié)果顯示輸出，直至用戶按“ESC”鍵停止程序的運(yùn)行。

這部分軟件運(yùn)行于主控機(jī)上，以菜單驅(qū)動方式進(jìn)行操作，其控制功能包括對接收機(jī)的增益進(jìn)行設(shè)置、執(zhí)行波束選擇及聲陣的高度輸入等，并對接收機(jī)信號處理單元進(jìn)行起?？刂?；顯示功能則完成14個波束的方位—距離數(shù)據(jù)顯示或?qū)χ付úㄊ牟ㄐ芜M(jìn)行輸出，并能夠以文字方式給出光標(biāo)所在位置的目標(biāo)方位及距離。全部功能可總結(jié)為如下幾項：

(1) 系統(tǒng)及圖形環(huán)境初始化；
(2) 接收程放增益及陣高度設(shè)置輸入；

(3) 檢測激光器發(fā)射信號，傳送控制數(shù)據(jù)，啟動DSP分機(jī)；

(4) 讀取、顯示14個波束的方位—距離數(shù)據(jù)；

(5) 給出光標(biāo)所在位置的目標(biāo)方位及距離；

(6) 波束數(shù)據(jù)存盤。

程序的設(shè)計上本著結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想，將整個系統(tǒng)功能分解為幾個子功能模塊分別開發(fā)調(diào)試，從而提高了程序的可讀性和可維護(hù)性，也便于功能的擴(kuò)充。下圖給出顯控軟件主程序的流程：

 

4.2技術(shù)要點(diǎn)

程序在Lab Windows/CVI環(huán)境下開發(fā)，主窗體及菜單可在用戶界面窗口中快速便捷地建立，操作控制消息處理過程框架也可由環(huán)境自動生成，設(shè)計人員只需加入相應(yīng)的處理邏輯即可。程序設(shè)計中要解決的關(guān)鍵問題是DSP分機(jī)輸出緩沖器中波束數(shù)據(jù)的讀取及波形的顯示和通過光標(biāo)操作進(jìn)行目標(biāo)的定位。這些工作如果用VC++等實(shí)現(xiàn)將比較繁瑣，而在Lab Windows/CVI環(huán)境下則可以得到輕松而完美的解決。

4.2.1 DSP分機(jī)輸出緩沖器中波束數(shù)據(jù)的讀取

Lab Windows/CVI在Utility函數(shù)庫中提供了利用物理地址對內(nèi)存直接訪問的Physical Memory Access子類，當(dāng)系統(tǒng)中有大量數(shù)據(jù)需要處理時，利用物理內(nèi)存訪問函數(shù)即可以提高程序的運(yùn)行速度，又可以避免開發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)動程序的繁重工作。在這一系統(tǒng)的開發(fā)中我們使用ReadFromPhysicalMemoryEX完成波束數(shù)據(jù)的讀取，該函數(shù)原形如下：

Int status="ReadFromPhysicalMemoryEX"(unsigned int physicalAddress,void *destinatyionBuffer,unsigned int numberOfBytes,int bytesAtATime);

其中，physicalAddress為數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的物理地址；destinatyionBuffer為讀出后存放數(shù)據(jù)的緩沖器；numberOfBytes為讀出數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；bytesAtATime為一次讀取的字節(jié)數(shù)，取值可為1、2、4。返回值為1表示讀取成功。

4.2.2 波形的顯示和光標(biāo)定位操作

Lab Windows/CVI提供了圖表控件來完成圖表、靜態(tài)的曲線和波形及動態(tài)實(shí)時信號波形的顯示，這里我們通過使用Graph控件來完成波束數(shù)據(jù)的顯示。Graph控件功能十分強(qiáng)大，主要包括繪圖功能、光標(biāo)功能、坐標(biāo)設(shè)定功能和縮放、移動視區(qū)功能等。用戶界面庫中提供了大量的函數(shù)以用于在Graph控件上繪制各種曲線和幾何圖形，這里我們使用PlotY函數(shù)，其原形為：

Int PlotY(int panelHandle,int contrlHandle,double[] Yarray,int NumofPoints,int YdataType,int PlotStyle,int PointStyle,int LineStyle,int PointFrequency,int Color)

該函數(shù)有10個參數(shù)，其中panelHandl為Graph控件所在面板的句柄；contrlHandle為Graph控件的句柄，這兩者結(jié)合指明繪圖區(qū)域；Yarray為繪制曲線的數(shù)據(jù)數(shù)組；NumofPoints為繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)；YdataType為數(shù)據(jù)類型；PlotStyle為控制曲線類型的常量；PointStyle為數(shù)據(jù)點(diǎn)形狀常量，通過設(shè)置它將數(shù)據(jù)點(diǎn)用特定的形狀繪制；LineStyle為線條類型常量，進(jìn)行諸如實(shí)線、虛線的選擇；PointFrequency為點(diǎn)間距常量，無效時設(shè)為默認(rèn)值1；Color曲線顏色設(shè)置常量。仔細(xì)設(shè)置好這些常數(shù)即可精確繪制出波形。

Graph控件支持光標(biāo)操作，在程序設(shè)計中可利用光標(biāo)進(jìn)行定位，在設(shè)計時可對光標(biāo)的個數(shù)、顏色、形狀、模式等屬性進(jìn)行設(shè)置，程序中又可通過函數(shù)對光標(biāo)進(jìn)行操作，如設(shè)置活動光標(biāo)，獲取和設(shè)置光標(biāo)的坐標(biāo)等，而坐標(biāo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)的時間、距離數(shù)據(jù)是相關(guān)聯(lián)的，在程序中可通過簡單的計算進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

Graph控件的縮放和視區(qū)移動功能則允許我們對波形的局部進(jìn)行放大以觀察細(xì)節(jié)，以及將波形繪制在視區(qū)之外，需要時又可移入視區(qū)之內(nèi)進(jìn)行顯示?？傊?，該控件的強(qiáng)大功能滿足了我們現(xiàn)階段所有的波形顯示和分析的需要。   

5 結(jié)束語

本文討論了在Lab Windows/CVI環(huán)境下開發(fā)DSP顯控程序的優(yōu)越性和關(guān)鍵技術(shù)。該接收機(jī)經(jīng)受了海試的考驗(yàn)，在整個海試過程中一直穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，其處理所得目標(biāo)方位、距離值及海深等數(shù)值都能與預(yù)知值很好地吻合。另外，該系統(tǒng)的設(shè)計使得其功能很容易擴(kuò)充，它除了對國防建設(shè)具有重要意義外，稍加改進(jìn)后還可應(yīng)用于如沉船打撈、航道勘測、水底地形圖的測繪等領(lǐng)域，對海洋的開發(fā)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要的意義。