NI Compact RIO模塊在海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量中的應用

介紹： 在進(jìn)行海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量時(shí)，對系統的要求是要滿(mǎn)足多種物理場(chǎng)不同的參數要求，多點(diǎn)同測，實(shí)時(shí)便捷，靈活小巧，低功耗，布放方便。而傳統的測量系統，體積龐大，靈活性差，且操作繁瑣。本系統基于LabVIEW 8.0的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用NI-Compact RIO實(shí)時(shí)采集模塊開(kāi)發(fā)的測試系統，不僅具備了傳統海洋環(huán)境水下物理場(chǎng)測試系統的數據采集、傳輸與存儲等功能模塊，還可組成分布式采集系統，同時(shí)，其靈巧的外形，廉價(jià)的成本，簡(jiǎn)單靈活的操作也大大方便了測試人員的工作。

正文：

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

三、軟件系統介紹： 

1．軟件簡(jiǎn)介： 

軟件所使用的開(kāi)發(fā)平臺為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的一種目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化開(kāi)發(fā)平臺。它是一種適合任何編程任務(wù)，具有擴展函數庫的通用編程環(huán)境，定義了數據模型、結構類(lèi)型和模塊調用語(yǔ)法規則等編程語(yǔ)言的基本要素；它的擴展函數庫面向數據采集、GPIB和串行儀器控制，以及數據分析、數據顯示和數據存儲；提供了與遵從GPIB、VXI、RS-232、RS-485協(xié)議的硬件及數據采集卡的全部功能，還內置了TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數，不需要編寫(xiě)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(guān)清晰，并且包括了常用的程序調試工具，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 

本系統的軟件編程主要是需要實(shí)現對各個(gè)物理場(chǎng)采集的控制，按需要的采樣率要求進(jìn)行數據采集；將采集信號傳送到上位機的用戶(hù)界面上，實(shí)時(shí)顯示，方便測試人員對測量體的布放、調試以及對目標的測量。 

對于本系統來(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)成熟的系統采集控制軟件，可以便捷的對各個(gè)采集模塊進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)的顯示采集結果、存儲數據，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 )因為運行速度的問(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，軟件設計的關(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)鐘設為同步，達到要求；其次是保證信號不會(huì )產(chǎn)生丟點(diǎn)和串道，根據采樣率的要求，最高要達到10K的采樣率，選擇DMA FIFO的方式，可以解決這個(gè)問(wèn)題。采集到的數據，通過(guò)對DMA的讀取，經(jīng)過(guò)二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉換，進(jìn)行顯示和存儲以及后期的數據處理。同時(shí)，在程序中還集成了錯誤報警，當程序出錯時(shí)，可以及時(shí)的提醒測量人員。

2.2 cRIO-9004與單片機的串口通信 

在本系統中，集成了對于海洋環(huán)境物理場(chǎng)直流信號的采集模塊以及姿態(tài)儀與漏水報警的控制和數據采集模塊，利用單片機控制各個(gè)模塊的采集，將信號通過(guò)串口傳給NI cRIO-9004，并在上位機顯示與存儲。 

姿態(tài)儀和環(huán)境物理場(chǎng)采集模塊的工作通過(guò)上位機給單片機發(fā)送命令進(jìn)行切換，方便測量人員的觀(guān)測和控制，同時(shí)，當漏水報警啟動(dòng)時(shí)，單片機將傳送報警信號而不再發(fā)送其他信號，通過(guò)對信號的判斷，進(jìn)行軟件報警。 

在對水下測量體進(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，然后，讀取串口數據，并按照姿態(tài)儀的數據傳輸格式，將從串口得到的姿態(tài)儀數據提取出來(lái)并顯示，同時(shí)增加報警判斷，根據需要設定姿態(tài)判斷規則，當系統姿態(tài)達到一定的角度，程序開(kāi)始報警。 

FPGA.vi的程序部分 

 圖4 FPGA.vi的程序部分

當水下測量體姿態(tài)穩定之后，通過(guò)程序設定的切換按鈕，給單片機發(fā)送指令，結束姿態(tài)儀數據的采集并發(fā)送穩恒物理場(chǎng)傳感器工作指令，開(kāi)始穩恒物理場(chǎng)的數據采集，根據單片機的數據傳輸格式，讀出串口中的字符串，并將其分解，轉換為10進(jìn)制數值，并根據規則將其換算為實(shí)際的物理量，顯示出來(lái)。

圖5 上位機中DMA的數據讀取和轉換

四、結論
 
本文討論了基于National Instruments公司的NI CompactRIO控制和采集系統和圖形化的編程開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW而構建的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量系統。由于很好的利用了NI CompactRIO——小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統靈活，可靠等多項特性，并且結合了LabVIEW這一強大、高效的軟件開(kāi)發(fā)平臺，使得整個(gè)自動(dòng)化控制和采集系統能成功的應用于海洋環(huán)境多物理場(chǎng)的測量中，解決了傳統測量系統體積龐大，靈活性差，且操作繁瑣的難題。這也使海上實(shí)驗變得更加的方便、快捷和易于維護。通過(guò)已研制樣機的實(shí)驗，其多點(diǎn)同測，穩定可靠，實(shí)時(shí)便捷，靈活小巧，低功耗，布放方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，很好地證明了測量系統能夠滿(mǎn)足海上多種物理場(chǎng)實(shí)驗的不同參數要求。該系統的成功開(kāi)發(fā)，也展現了NI公司的虛擬儀器技術(shù)在測試測量領(lǐng)域內的良好應用前景，為今后海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測量陣的研制提供了極為有力的參考。