采用LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三、軟件系統(tǒng)介紹：

1.軟件簡(jiǎn)介：

軟件所使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開(kāi)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(kāi)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(kù)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(yǔ)法規(guī)則等編程語(yǔ)言的基本要素;它的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)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(kù)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(yǔ)，圖表和概念，來(lái)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(kāi)發(fā)時(shí)間和難度。

2.編程思路說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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(wèn)題首先是要保證兩個(gè)NI cRIO-9233的同步，這在Project中通過(guò)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(wèn)題。采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)DMA的讀取，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(lái)。

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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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。