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(yīng)地,，海洋中各種環(huán)境物理場也成為了研究關(guān)注的焦點(diǎn),。因?yàn)閷τ诤Ｑ蟓h(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(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(shè)備測量靈活性差,，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環(huán)境物理場同時進(jìn)行測量中的應(yīng)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(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)確的確定物理場的參數(shù)提供了方便。
同時,，為了預(yù)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(shè)計(jì),，需要一個多點(diǎn)采集陣列,，通過岸上的PC機(jī)，對水下的各個采集點(diǎn)進(jìn)行控制,，各個采集點(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?yàn)樗碌亩喾N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(shí)測、布放的需要,，以及對于水密艙的設(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(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包含一個實(shí)時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(qiáng),；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(shè)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(shè)備以及便捷的軟件設(shè)置,，將水下各個測量點(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．硬件簡介
2.1 NI cRIO-9004特性指標(biāo)：
配置有一個串口和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(biāo)：
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(biāo)：
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(jìn)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(shè)置采樣率來采集,，采樣率要求最高達(dá)到10K,，而對于直流信號，系統(tǒng)中利用單片機(jī),，將信號采集進(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(jìn)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(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(yīng)用最廣,、發(fā)展最快、功能最 強(qiáng)的圖形化開發(fā)平臺,。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；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(shí)現(xiàn)對各個物理場采集的控制，按需要的采樣率要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,；將采集信號傳送到上位機(jī)的用戶界面上,，實(shí)時顯示，方便測試人員對測量體的布放,、調(diào)試以及對目標(biāo)的測量,。
對于本系統(tǒng)來說，工作的重點(diǎn)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(jìn)行控制,，實(shí)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?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采集水下物理場交變部分,，軟件設(shè)計(jì)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(shè)置兩個cRIO-9233的硬件屬性,，可以將兩個NI cRIO-9233的時鐘設(shè)為同步,，達(dá)到要求；其次是保證信號不會產(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,，可以解決這個問題,。采集到的數(shù)據(jù)，通過對DMA的讀取,，經(jīng)過二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,，進(jìn)行顯示和存儲以及后期的數(shù)據(jù)處理。同時,，在程序中還集成了錯誤報(bào)警,，當(dāng)程序出錯時，可以及時的提醒測量人員,。
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(bào)警的控制和數(shù)據(jù)采集模塊，利用單片機(jī)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(jī)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(jī)給單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)行切換,，方便測量人員的觀測和控制,，同時，當(dāng)漏水報(bào)警啟動時,，單片機(jī)將傳送報(bào)警信號而不再發(fā)送其他信號,，通過對信號的判斷，進(jìn)行軟件報(bào)警,。
在對水下測量體進(jìn)行布放的時候,，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(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(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，使得整個自動化控制和采集系統(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(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,，穩(wěn)定可靠，實(shí)時便捷,，靈活小巧,，低功耗，布放方便等諸多優(yōu)點(diǎn),，很好地證明了測量系統(tǒng)能夠滿足海上多種物理場實(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)在測試測量領(lǐng)域內(nèi)的良好應(yīng)用前景,，為今后海洋環(huán)境多物理場測量陣的研制提供了極為有力的參考。