基于NI CompactRIO和LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場測量系統(tǒng)

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。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(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，已嚴(yán)重限制了在需要多個環(huán)境物理場同時進行測量中的應(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(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，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(shè)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(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(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；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(luò)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