基于LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量系統設計

一、引言 　　
近些年來(lái)，隨著(zhù)人類(lèi)對于海洋開(kāi)發(fā)力度的增加，關(guān)于海洋方面的研究越來(lái)越廣泛深入。相應地，海洋中各種環(huán)境物理場(chǎng)也成為了研究關(guān)注的焦點(diǎn)。因為對于海洋環(huán)境物理場(chǎng)的了解，意味著(zhù)人們可以更加熟悉海洋，利用其環(huán)境物理場(chǎng)的變化規律，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(lǐng)域，更加的方便、有效。
　　
而隨著(zhù)海洋物理場(chǎng)水下物理場(chǎng)測量測試需求的增加，傳統的測試手段已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現在的測量需要，繁多的各物理場(chǎng)采集系統硬件設備測量靈活性差，系統的安全性和可靠性低的缺點(diǎn)，已嚴重限制了在需要多個(gè)環(huán)境物理場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行測量中的應用。因此，對于一個(gè)小型化、智能化、布放便捷的海洋環(huán)境物理場(chǎng)測量系統的研究開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為必需。
　　
二、硬件系統介紹：
　　
1．系統總體設計思想：
　　本系統是基于海洋中多個(gè)環(huán)境物理場(chǎng)的綜合測量方法。海洋環(huán)境物理場(chǎng)包括多種物理環(huán)境，有傳統的聲、以及近些年來(lái)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(gè)物理場(chǎng)均有其特有的特性，這讓現有的水下物理場(chǎng)采集系統越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足測量的需要；對于海洋的環(huán)境物理場(chǎng)，單點(diǎn)的測量系統所獲取的數據已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足對于海洋環(huán)境物理場(chǎng)測量與分析的需求，而通過(guò)水下測量陣的多點(diǎn)探測，可以搜集到測量海域內大量的海洋環(huán)境物理場(chǎng)數據，為研究人員準確的確定物理場(chǎng)的參數提供了方便。
同時(shí)，為了預測海洋環(huán)境物理場(chǎng)的變化趨勢，一個(gè)能夠長(cháng)期在水下工作的測量系統也是必須的。對于本系統的設計，需要一個(gè)多點(diǎn)采集陣列，通過(guò)岸上的PC機，對水下的各個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行控制，各個(gè)采集點(diǎn)將采集到的數據通過(guò)光纖傳送到岸上，進(jìn)行顯示和處理，基于以上幾點(diǎn)考慮以及根據海上作業(yè)的特殊需要，我們對于本套系統提出的要求是：
　　
（1）智能化：靈活多樣的測量方式，因為水下的多種物理場(chǎng)，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(shí)測、布放的需要，以及對于水密艙的設計需要，小型的采集系統將是我們的首選。

（3）系統的安全、穩定性：系統可以長(cháng)期、穩定的進(jìn)行數據采集工作，這就要求系統水密性高，在海上要適應不同的溫度條件，耐水流沖擊以及布放時(shí)的沖撞，同時(shí)，長(cháng)期工作時(shí)的功耗低，散熱性好，能夠保證系統的穩定工作。

綜上考慮，在對多個(gè)采集系統進(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。該系統是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫(xiě)為RIO) FPGA技術(shù)實(shí)現超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)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；其多樣的熱插拔工業(yè)I/O模塊，內置可直接和傳感器/調節器連接的信號調理，均符合大多數海洋環(huán)境物理場(chǎng)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，保證了測試的可靠性與安全性；小巧的外形，使得系統的體積大大減少，方便了研究人員的海上布放與測量工作；較低的功耗，也使得系統工作的穩定性增強；同時(shí)，NI公司的LabVIEW和LabVIEW RT 模塊、LabVIEW FPGA模塊提供了良好的圖形化開(kāi)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(gè)水下測量系統，可以利用NI cRIO系統集成的接口設備以及便捷的軟件設置，將水下各個(gè)測量點(diǎn)方便的集成在一起，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，和岸上工作站相連。
　　
2．硬件簡(jiǎn)介
　　
2.1 NI cRIO-9004特性指標：
　　
配置有一個(gè)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(gè)采集通道同時(shí)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。
　　
2.2 NI cRIO-9103特性指標：
　　
4個(gè)模塊插槽；3百萬(wàn)門(mén)可再配置FPGA系統；196KB RAM；
　　
2.3 cRIO-9233特性指標：

通道數………4個(gè)模擬輸入通道
A/D轉換精度……………24 bits
數據采樣率…………2K/s～50K/s
時(shí)鐘頻率… …………12.8MHz

3．單個(gè)水下采集模塊硬件系統架構
　　在多個(gè)水下物理場(chǎng)進(jìn)行測量時(shí)，對每個(gè)物理場(chǎng)的采樣要求并不相同，對于交變物理場(chǎng)，可以利用NI cRIO-9233采集器設置采樣率來(lái)采集，采樣率要求最高達到10K，而對于直流信號，系統中利用單片機，將信號采集進(jìn)來(lái)，通過(guò)NI cRIO-9004控制器的串口，將數據傳給上位機，進(jìn)行顯示和保存。
　　
海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量陣如圖1所示。
　　

　　圖1 海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量陣
　　
對于水下測量系統來(lái)說(shuō)，系統的布放是測量的一個(gè)重要組成部分，系統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，系統在水下的姿態(tài)、位置正確，是我們進(jìn)行數據采集的保證。為此，我們在系統中集成了姿態(tài)儀，通過(guò)它們掌握測量系統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(gè)單片機來(lái)進(jìn)行采集控制，而數據利用串口通過(guò)單片機傳送給NI cRIO-9004，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到上位機的顯控界面。
　　
單個(gè)水下采集模塊硬件系統架構如圖2所示：
　
　
　　圖2 采集系統框架圖