激光聲遙感系統顯控軟件的功能及設計

摘 要：本文介紹了激光聲遙感系統顯控軟件的功能和設計中的關(guān)鍵技術(shù)，并給出其在Lab Windows/CVI環(huán)境下的實(shí)現方案，總結了基于此種方案的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：Lab Windows/CVI; 虛擬儀器; DSP

1　引言

Windows操作系統因其卓越的性能已成為各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用的操作系統平臺，由于Windows對系統底層操作采取了屏蔽的策略，因而對用戶(hù)而言，系統變得更為安全，但這卻給眾多的硬件或者系統軟件開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了不小的困難，因為只要應用中涉及到底層的操作，如直接訪(fǎng)問(wèn)I/O端口和物理內存等，開(kāi)發(fā)人員就不得不深入到Windows的內核去編寫(xiě)屬于系統級的虛擬設備驅動(dòng)程序。筆者開(kāi)發(fā)的激光聲遙感系統顯控軟件中涉及到物理內存的訪(fǎng)問(wèn)和信號波形的顯示，如采用VC++等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，一方面開(kāi)發(fā)虛擬設備驅動(dòng)程序工作難度較大，另外波形的顯示及選取定位等工作實(shí)現起來(lái)也較繁雜，而如果在Lab Windows/CVI^[1]環(huán)境下完成這一工作，這一切將變得十分輕松，而且使系統的性能更加出色。

2　關(guān)于Lab windows/CVI

Lab Windows/CVI 是美國NI(National Instrument)公司開(kāi)發(fā)的Measurement Studio軟件組中的一員，是32位的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺，可在Windows 98/NT/2000等操作系統下運行。它以ANSI C為核心，將功能強大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺與用于數據采集、分析和顯示的測控專(zhuān)業(yè)工具有機結合起來(lái)。它的交互式開(kāi)發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數大大增強了C語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立自動(dòng)化檢測系統、自動(dòng)測量環(huán)境、數據采集系統、過(guò)程控制系統等提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。當前的最新版本Lab Windows/CVI 7.0更因其完全集成的工作平臺(Workspace)、可生成代碼的硬件配置助手以及經(jīng)重新設計的數據采集界面為廣大用戶(hù)提供更靈活、高效又長(cháng)期穩定的ANSI C編程，大幅增加了開(kāi)發(fā)速度。它的用戶(hù)界面函數庫除了提供一般程序設計語(yǔ)言提供的控件外，還擴展了新的完善的帶有圖像、標記和分欄功能的樹(shù)型控件、圖形圖例控件、以及“open GL”控件 等；新的圖形控件具有平滑顯示，抗混疊, 內置DataSocket以及另一個(gè)x軸的功能，能更有效地顯示測量數據。另外，Lab Windows/CVI還支持多線(xiàn)程編程及物理內存訪(fǎng)問(wèn)，它不僅提供了用來(lái)進(jìn)行數據存儲和讀取的內存管理函數，還在Utility函數庫中提供了利用物理地址對內存直接訪(fǎng)問(wèn)的Physical Memory Access子類(lèi)，本文中顯控軟件的設計正是基于它這幾個(gè)方面的特性。

3、激光聲遙感系統概述

激光聲遙感系統^{[2 ]}是一種新型的水下目標遙感探測系統，它通過(guò)對接收到的水下目標反射的寬帶窄脈沖信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理來(lái)實(shí)現對水下目標的探測和定位。因此，在軍事和國防建設中具有重要的意義。

系統的工作原理為高能激光束照射水面在水中產(chǎn)生高頻寬帶聲脈沖信號，信號在傳播的過(guò)程中遇到水下目標發(fā)生散射或反射后有部分聲波會(huì )透過(guò)水面傳播到空氣中。在空中布放的聲陣將接收到的聲信號轉換為電信號后送多波束接收機進(jìn)行采集、處理、顯示、分析，進(jìn)而確定水下目標的方位和距離。

按系統要求，該接收機將完成對采樣率高達384KHz的8路信號的波束形成、檢波和短積分處理，并能夠實(shí)時(shí)顯示14個(gè)波束的目標信號方位─距離畫(huà)面及光標所選目標的方位、距離數據，系統的DSP部分包括前置預處理分機、高速信號處理分機和顯示控制分機三個(gè)部分。其中前兩部分集成為專(zhuān)用的DSP分機，顯控分機采用高性能微機，二者通過(guò)PCI總線(xiàn)接口卡進(jìn)行控制和數據信息的交換。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 數字多波束接收機結構框圖

系統工作時(shí)首先啟動(dòng)顯控微機和DSP處理機，顯控微機啟動(dòng)圖形用戶(hù)界面應用程序，接收用戶(hù)設置輸入，并檢測激光系統發(fā)射信號；DSP分機中各采集處理模塊的DSP處理器完成初始化工作后等待啟動(dòng)命令。激光系統發(fā)射后觸發(fā)主控微機向DSP分機發(fā)送增益設置命令及啟動(dòng)信號。DSP分機對來(lái)自接收陣的信號進(jìn)行采集和計算，形成目標的方位―距離波形數據并存入數據輸出雙口RAM中，數據滿(mǎn)一幀后由顯控微機進(jìn)行讀取、顯示，并可以文件形式進(jìn)行存儲。接收機作為微機的一個(gè)外圍設備，是按照數據空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作的，根據微機內存資源配置情況，選擇了內存的EXXXXH空間存儲14個(gè)波束的數據（字存?。?，相鄰兩個(gè)波束數據交錯排列，處于同一區間，區間分配情況如下表所示。

表1 波束數據緩沖區地址分配表

4、顯控軟件設計

4.1顯控軟件功能

該程序負責啟動(dòng)接收機工作，并完成14個(gè)波束的方位―距離數據顯示，它首先將輸入的增益值及波束號轉換為控制碼，然后以程序詢(xún)問(wèn)的方式認知發(fā)射機同步信號的到來(lái)，如接收到發(fā)射機同步信號，則控制接收機進(jìn)入工作狀態(tài)，并將控制碼寫(xiě)入接收機控制寄存器的指定位，最后將該次發(fā)射所得處理結果顯示輸出，直至用戶(hù)按“ESC”鍵停止程序的運行。

這部分軟件運行于主控機上，以菜單驅動(dòng)方式進(jìn)行操作，其控制功能包括對接收機的增益進(jìn)行設置、執行波束選擇及聲陣的高度輸入等，并對接收機信號處理單元進(jìn)行起?？刂?；顯示功能則完成14個(gè)波束的方位―距離數據顯示或對指定波束的波形進(jìn)行輸出，并能夠以文字方式給出光標所在位置的目標方位及距離。全部功能可總結為如下幾項：

(1) 系統及圖形環(huán)境初始化；

(2) 接收程放增益及陣高度設置輸入；

(3) 檢測激光器發(fā)射信號，傳送控制數據，啟動(dòng)DSP分機；

(4) 讀取、顯示14個(gè)波束的方位―距離數據；

(5) 給出光標所在位置的目標方位及距離；

(6) 波束數據存盤(pán)。

程序的設計上本著(zhù)結構化設計思想，將整個(gè)系統功能分解為幾個(gè)子功能模塊分別開(kāi)發(fā)調試，從而提高了程序的可讀性和可維護性，也便于功能的擴充。下圖給出顯控軟件主程序的流程：

4.2技術(shù)要點(diǎn)

程序在Lab Windows/CVI環(huán)境下開(kāi)發(fā)，主窗體及菜單可在用戶(hù)界面窗口中快速便捷地建立，操作控制消息處理過(guò)程框架也可由環(huán)境自動(dòng)生成，設計人員只需加入相應的處理邏輯即可。程序設計中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是DSP分機輸出緩沖器中波束數據的讀取及波形的顯示和通過(guò)光標操作進(jìn)行目標的定位。這些工作如果用VC++等實(shí)現將比較繁瑣，而在Lab Windows/CVI環(huán)境下則可以得到輕松而完美的解決。

4.2.1 DSP分機輸出緩沖器中波束數據的讀取

Lab Windows/CVI在Utility函數庫中提供了利用物理地址對內存直接訪(fǎng)問(wèn)的Physical Memory Access子類(lèi)，當系統中有大量數據需要處理時(shí)，利用物理內存訪(fǎng)問(wèn)函數即可以提高程序的運行速度，又可以避免開(kāi)發(fā)虛擬設備驅動(dòng)程序的繁重工作。在這一系統的開(kāi)發(fā)中我們使用ReadFromPhysicalMemoryEX完成波束數據的讀取，該函數原形如下：

Int status=ReadFromPhysicalMemoryEX(unsigned int physicalAddress,void *destinatyionBuffer,unsigned int numberOfBytes,int bytesAtATime);

其中，physicalAddress為數據在內存中的物理地址；destinatyionBuffer為讀出后存放數據的緩沖器；numberOfBytes為讀出數據的字節數；bytesAtATime為一次讀取的字節數，取值可為1、2、4。返回值為1表示讀取成功。

4.2.2 波形的顯示和光標定位操作

Lab Windows/CVI提供了圖表控件來(lái)完成圖表、靜態(tài)的曲線(xiàn)和波形及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)信號波形的顯示，這里我們通過(guò)使用Graph控件來(lái)完成波束數據的顯示。Graph控件功能十分強大，主要包括繪圖功能、光標功能、坐標設定功能和縮放、移動(dòng)視區功能等。用戶(hù)界面庫中提供了大量的函數以用于在Graph控件上繪制各種曲線(xiàn)和幾何圖形，這里我們使用PlotY函數，其原形為：

Int PlotY(int panelHandle,int contrlHandle,double[] Yarray,int NumofPoints,int YdataType,int PlotStyle,int PointStyle,int LineStyle,int PointFrequency,int Color)

該函數有10個(gè)參數，其中panelHandl為Graph控件所在面板的句柄；contrlHandle為Graph控件的句柄，這兩者結合指明繪圖區域；Yarray為繪制曲線(xiàn)的數據數組；NumofPoints為繪制數據點(diǎn)的個(gè)數；YdataType為數據類(lèi)型；PlotStyle為控制曲線(xiàn)類(lèi)型的常量；PointStyle為數據點(diǎn)形狀常量，通過(guò)設置它將數據點(diǎn)用特定的形狀繪制；LineStyle為線(xiàn)條類(lèi)型常量，進(jìn)行諸如實(shí)線(xiàn)、虛線(xiàn)的選擇；PointFrequency為點(diǎn)間距常量，無(wú)效時(shí)設為默認值1；Color曲線(xiàn)顏色設置常量。仔細設置好這些常數即可精確繪制出波形。

Graph控件支持光標操作，在程序設計中可利用光標進(jìn)行定位，在設計時(shí)可對光標的個(gè)數、顏色、形狀、模式等屬性進(jìn)行設置，程序中又可通過(guò)函數對光標進(jìn)行操作，如設置活動(dòng)光標，獲取和設置光標的坐標等，而坐標數據與目標的時(shí)間、距離數據是相關(guān)聯(lián)的，在程序中可通過(guò)簡(jiǎn)單的計算進(jìn)行轉換。

Graph控件的縮放和視區移動(dòng)功能則允許我們對波形的局部進(jìn)行放大以觀(guān)察細節，以及將波形繪制在視區之外，需要時(shí)又可移入視區之內進(jìn)行顯示?？傊?，該控件的強大功能滿(mǎn)足了我們現階段所有的波形顯示和分析的需要。

5結束語(yǔ)

本文討論了在Lab Windows/CVI環(huán)境下開(kāi)發(fā)DSP顯控程序的優(yōu)越性和關(guān)鍵技術(shù)。該接收機經(jīng)受了海試的考驗，在整個(gè)海試過(guò)程中一直穩定可靠地運行，其處理所得目標方位、距離值及海深等數值都能與預知值很好地吻合。另外，該系統的設計使得其功能很容易擴充，它除了對國防建設具有重要意義外，稍加改進(jìn)后還可應用于如沉船打撈、航道勘測、水底地形圖的測繪等領(lǐng)域，對海洋的開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟的發(fā)展都具有重要的意義。

參考文獻

[1] 張鳳均. Lab Windows/CVI開(kāi)發(fā)入門(mén)和進(jìn)階[J]. 北京航空航天大學(xué)出版社,2001.
[2] 李榮福，崔桂華，田作喜，桑國明. 激光聲遙感系統[M]. 國防工業(yè)出版社, 2003