一、引言
近些年來,隨著人類對于海洋開發(fā)力度的增加,關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)的測試手段已經無法滿足現在的測量需要,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,甚至于剛剛引起關注的光、熒光、地震波,各個物理場均有其特有的特性,這讓現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)所獲取的數據已經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大量的海洋環(huán)境物理場數據,為研究人員準確的確定物理場的參數提供了方便。
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據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)定的進行數據采集工作,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技術實現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,內置可直接和傳感器/調節(jié)器連接的信號調理,均符合大多數海洋環(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………4個模擬輸入通道
A/D轉換精度……………24 bits
數據采樣率…………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
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,將數據傳給上位機,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果以及后期的數據分析與處理,系統(tǒng)在水下的姿態(tài)、位置正確,是我們進行數據采集的保證。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,而數據利用串口通過單片機傳送給NI cRIO-9004,并通過網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,具有擴展函數庫的通用編程環(huán)境,定義了數據模型、結構類型和模塊調用語法規(guī)則等編程語言的基本要素;它的擴展函數庫面向數據采集、GPIB和串行儀器控制,以及數據分析、數據顯示和數據存儲;提供了與遵從GPIB、VXI、RS-232、RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡的全部功能,還內置了TCP/IP,ActiveX等軟件標準的庫函數,不需要編寫程序代碼,而是利用編程人員熟悉的術語,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對各個物理場采集的控制,按需要的采樣率要求進行數據采集;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,實時的顯示采集結果、存儲數據,更重要的是要讓程序的采集模塊之間即不相互產生沖突,也不會因為運行速度的問題產生丟點和串道。
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生丟點和串道,根據采樣率的要求,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。采集到的數據,通過對DMA的讀取,經過二進制到十進制的轉換,進行顯示和存儲以及后期的數據處理。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據采集模塊,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,讀取串口數據,并按照姿態(tài)儀的數據傳輸格式,將從串口得到的姿態(tài)儀數據提取出來并顯示,同時增加報警判斷,根據需要設定姿態(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,結束姿態(tài)儀數據的采集并發(fā)送穩(wěn)恒物理場傳感器工作指令,開始穩(wěn)恒物理場的數據采集,根據單片機的數據傳輸格式,讀出串口中的字符串,并將其分解,轉換為10進制數值,并根據規(guī)則將其換算為實際的物理量,顯示出來。
圖5 上位機中DMA的數據讀取和轉換
四、結論
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要求。該系統(tǒng)的成功開發(fā),也展現了NI公司的虛擬儀器技術在測試測量領域內的良好應用前景,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。