采用LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場測量系統(tǒng)設計

一、引言

近些年來，隨著人類對于海洋開發(fā)力度的增加，關(guān)于海洋方面的研究越來越廣泛深入。相應地，海洋中各種環(huán)境物理場也成為了研究關(guān)注的焦點。因為對于海洋環(huán)境物理場的了解，意味著人們可以更加熟悉海洋，利用其環(huán)境物理場的變化規(guī)律，使我們在海洋地質(zhì)勘測、地震預警、海洋捕撈、石油勘探等領域，更加的方便、有效。

而隨著海洋物理場水下物理場測量測試需求的增加，傳統(tǒng)的測試手段已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的測量需要，繁多的各物理場采集系統(tǒng)硬件設備測量靈活性差，系統(tǒng)的安全性和可靠性低的缺點，已嚴重限制了在需要多個環(huán)境物理場同時進行測量中的應用。因此，對于一個小型化、智能化、布放便捷的海洋環(huán)境物理場測量系統(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)總體設計思想：

本系統(tǒng)是基于海洋中多個環(huán)境物理場的綜合測量方法。海洋環(huán)境物理場包括多種物理環(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，各個物理場均有其特有的特性，這讓現(xiàn)有的水下物理場采集系統(tǒng)越來越無法滿足測量的需要;對于海洋的環(huán)境物理場，單點的測量系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足對于海洋環(huán)境物理場測量與分析的需求，而通過水下測量陣的多點探測，可以搜集到測量海域內(nèi)大量的海洋環(huán)境物理場數(shù)據(jù)，為研究人員準確的確定物理場的參數(shù)提供了方便。

同時，為了預測海洋環(huán)境物理場的變化趨勢，一個能夠長期在水下工作的測量系統(tǒng)也是必須的。對于本系統(tǒng)的設計，需要一個多點采集陣列，通過岸上的PC機，對水下的各個采集點進行控制，各個采集點將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳送到岸上，進行顯示和處理，基于以上幾點考慮以及根據(jù)海上作業(yè)的特殊需要，我們對于本套系統(tǒng)提出的要求是：

(1)智能化：靈活多樣的測量方式，因為水下的多種物理場，其對采樣率、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、測量人員操作;

(2)小型化：為了方便海上實測、布放的需要，以及對于水密艙的設計需要，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)可以長期、穩(wěn)定的進行數(shù)據(jù)采集工作，這就要求系統(tǒng)水密性高，在海上要適應不同的溫度條件，耐水流沖擊以及布放時的沖撞，同時，長期工作時的功耗低，散熱性好，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

綜上考慮，在對多個采集系統(tǒng)進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)實現(xiàn)超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個實時控制器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應用系統(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)器連接的信號調(diào)理，均符合大多數(shù)海洋環(huán)境物理場測量的需要;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量工作;較低的功耗，也使得系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性增強;同時，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，可以快捷的設置NI cRIO采集模塊的采集屬性;對于整個水下測量系統(tǒng)，可以利用NI cRIO系統(tǒng)集成的接口設備以及便捷的軟件設置，將水下各個測量點方便的集成在一起，并通過網(wǎng)絡，和岸上工作站相連。

2.硬件簡介

2.1 NI cRIO-9004特性指標：

配置有一個串口和10/100M自適應以太網(wǎng)接口，由此和其他設備及PC機連接;工作電壓范圍在11到30V之間，當有8個采集通道同時工作的情況下，功耗只有24W;有512M的存儲空間以及64M的DRAM;LabVIEW RT操作系統(tǒng)。

2.2 NI cRIO-9103特性指標：

4個模塊插槽;3百萬門可再配置FPGA系統(tǒng);196KB RAM;

2.3 cRIO-9233特性指標：

通道數(shù)………4個模擬輸入通道

A/D轉(zhuǎn)換精度……………24 bits

數(shù)據(jù)采樣率…………2K/s～50K/s

時鐘頻率… …………12.8MHz

3.單個水下采集模塊硬件系統(tǒng)架構(gòu)

在多個水下物理場進行測量時，對每個物理場的采樣要求并不相同，對于交變物理場，可以利用NI cRIO-9233采集器設置采樣率來采集，采樣率要求最高達到10K，而對于直流信號，系統(tǒng)中利用單片機，將信號采集進來，通過NI cRIO-9004控制器的串口，將數(shù)據(jù)傳給上位機，進行顯示和保存。

海洋環(huán)境多物理場測量陣如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境多物理場測量陣

對于水下測量系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的布放是測量的一個重要組成部分，系統(tǒng)布放的成功與否直接影響了測量結(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，是我們進行數(shù)據(jù)采集的保證。為此，我們在系統(tǒng)中集成了姿態(tài)儀，通過它們掌握測量系統(tǒng)在水下的位置以及姿態(tài)信息，姿態(tài)信息同直流信號共用一個單片機來進行采集控制，而數(shù)據(jù)利用串口通過單片機傳送給NI cRIO-9004，并通過網(wǎng)絡傳送到上位機的顯控界面。

單個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.軟件簡介：

軟件所使用的開發(fā)平臺為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最 強的圖形化開發(fā)平臺。它是一種適合任何編程任務，具有擴展函數(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;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等軟件標準的庫函數(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，簡化了程序的開發(fā)時間和難度。

2.編程思路說明

本系統(tǒng)的軟件編程主要是需要實現(xiàn)對各個物理場采集的控制，按需要的采樣率要求進行數(shù)據(jù)采集;將采集信號傳送到上位機的用戶界面上，實時顯示，方便測試人員對測量體的布放、調(diào)試以及對目標的測量。

對于本系統(tǒng)來說，工作的重點是編譯各個物理場采集控制模塊，并將各采集模塊同姿態(tài)儀控制模塊集成在一起，形成一個成熟的系統(tǒng)采集控制軟件，可以便捷的對各個采集模塊進行控制，實時的顯示采集結(jié)果、存儲數(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，也不會因為運行速度的問題產(chǎn)生丟點和串道。

圖3 程序流程圖

2.1 NI cRIO-9233控制采集部分

利用NI cRIO-9233采集水下物理場交變部分，軟件設計的關(guān)鍵問題首先是要保證兩個NI cRIO-9233的同步，這在Project中通過設置兩個cRIO-9233的硬件屬性，可以將兩個NI cRIO-9233的時鐘設為同步，達到要求;其次是保證信號不會產(chǎn)生丟點和串道，根據(jù)采樣率的要求，最高要達到10K的采樣率，選擇DMA FIFO的方式，可以解決這個問題。采集到的數(shù)據(jù)，通過對DMA的讀取，經(jīng)過二進制到十進制的轉(zhuǎn)換，進行顯示和存儲以及后期的數(shù)據(jù)處理。同時，在程序中還集成了錯誤報警，當程序出錯時，可以及時的提醒測量人員。

2.2 cRIO-9004與單片機的串口通信

在本系統(tǒng)中，集成了對于海洋環(huán)境物理場直流信號的采集模塊以及姿態(tài)儀與漏水報警的控制和數(shù)據(jù)采集模塊，利用單片機控制各個模塊的采集，將信號通過串口傳給NI cRIO-9004，并在上位機顯示與存儲。

姿態(tài)儀和環(huán)境物理場采集模塊的工作通過上位機給單片機發(fā)送命令進行切換，方便測量人員的觀測和控制，同時，當漏水報警啟動時，單片機將傳送報警信號而不再發(fā)送其他信號，通過對信號的判斷，進行軟件報警。

在對水下測量體進行布放的時候，程序發(fā)送姿態(tài)儀工作指令給單片機，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，同時增加報警判斷，根據(jù)需要設定姿態(tài)判斷規(guī)則，當系統(tǒng)姿態(tài)達到一定的角度，程序開始報警。

FPGA.vi的程序部分

圖4 FPGA.vi的程序部分

當水下測量體姿態(tài)穩(wěn)定之后，通過程序設定的切換按鈕，給單片機發(fā)送指令，結(jié)束姿態(tài)儀數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送穩(wěn)恒物理場傳感器工作指令，開始穩(wěn)恒物理場的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)單片機的數(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進制數(shù)值，并根據(jù)規(guī)則將其換算為實際的物理量，顯示出來。

圖5 上位機中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LabVIEW而構(gòu)建的海洋環(huán)境多物理場測量系統(tǒng)。由于很好的利用了NI CompactRIO——小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)靈活，可靠等多項特性，并且結(jié)合了LabVIEW這一強大、高效的軟件開發(fā)平臺，使得整個自動化控制和采集系統(tǒng)能成功的應用于海洋環(huán)境多物理場的測量中，解決了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)體積龐大，靈活性差，且操作繁瑣的難題。這也使海上實驗變得更加的方便、快捷和易于維護。通過已研制樣機的實驗，其多點同測，穩(wěn)定可靠，實時便捷，靈活小巧，低功耗，布放方便等諸多優(yōu)點，很好地證明了測量系統(tǒng)能夠滿足海上多種物理場實驗的不同參數(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)在測試測量領域內(nèi)的良好應用前景，為今后海洋環(huán)境多物理場測量陣的研制提供了極為有力的參考。