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
三,、軟件系統(tǒng)介紹：
1．軟件簡介：
軟件所使用的開發(fā)平臺為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開發(fā)的一種目前應(yīng)用最廣,、發(fā)展最快,、功能最 強的圖形化開發(fā)平臺。它是一種適合任何編程任務(wù),，具有擴展函數(shù)庫的通用編程環(huán)境,，定義了數(shù)據(jù)模型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法規(guī)則等編程語言的基本要素,；它的擴展函數(shù)庫面向數(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,；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)準的庫函數(shù),，不需要編寫程序代碼，而是利用編程人員熟悉的術(shù)語,，圖表和概念,，來繪制程序流程圖，直觀清晰,，并且包括了常用的程序調(diào)試工具，簡化了程序的開發(fā)時間和難度,。
2．編程思路說明
本系統(tǒng)的軟件編程主要是需要實現(xiàn)對各個物理場采集的控制,，按需要的采樣率要求進行數(shù)據(jù)采集,；將采集信號傳送到上位機的用戶界面上，實時顯示,，方便測試人員對測量體的布放,、調(diào)試以及對目標(biāo)的測量。
對于本系統(tǒng)來說,，工作的重點是編譯各個物理場采集控制模塊,，并將各采集模塊同姿態(tài)儀控制模塊集成在一起，形成一個成熟的系統(tǒng)采集控制軟件,，可以便捷的對各個采集模塊進行控制,，實時的顯示采集結(jié)果、存儲數(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,，也不會因為運行速度的問題產(chǎn)生丟點和串道。
圖3 程序流程圖
2.1 NI cRIO-9233控制采集部分
利用NI cRIO-9233采集水下物理場交變部分,，軟件設(shè)計的關(guān)鍵問題首先是要保證兩個NI cRIO-9233的同步,，這在Project中通過設(shè)置兩個cRIO-9233的硬件屬性，可以將兩個NI cRIO-9233的時鐘設(shè)為同步,，達到要求,；其次是保證信號不會產(chǎn)生丟點和串道，根據(jù)采樣率的要求,，最高要達到10K的采樣率,，選擇DMA FIFO的方式，可以解決這個問題,。采集到的數(shù)據(jù),，通過對DMA的讀取，經(jīng)過二進制到十進制的轉(zhuǎn)換,，進行顯示和存儲以及后期的數(shù)據(jù)處理,。同時，在程序中還集成了錯誤報警,，當(dāng)程序出錯時,，可以及時的提醒測量人員。
2.2 cRIO-9004與單片機的串口通信
在本系統(tǒng)中,，集成了對于海洋環(huán)境物理場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(shù)據(jù)采集模塊,，利用單片機控制各個模塊的采集，將信號通過串口傳給NI cRIO-9004,，并在上位機顯示與存儲,。
姿態(tài)儀和環(huán)境物理場采集模塊的工作通過上位機給單片機發(fā)送命令進行切換，方便測量人員的觀測和控制,，同時,，當(dāng)漏水報警啟動時,，單片機將傳送報警信號而不再發(fā)送其他信號，通過對信號的判斷,，進行軟件報警,。
在對水下測量體進行布放的時候，程序發(fā)送姿態(tài)儀工作指令給單片機,，然后,，讀取串口數(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)提取出來并顯示,，同時增加報警判斷，根據(jù)需要設(shè)定姿態(tài)判斷規(guī)則,，當(dāng)系統(tǒng)姿態(tài)達到一定的角度,，程序開始報警。
FPGA.vi的程序部分
圖4 FPGA.vi的程序部分
當(dāng)水下測量體姿態(tài)穩(wěn)定之后,，通過程序設(shè)定的切換按鈕,，給單片機發(fā)送指令，結(jié)束姿態(tài)儀數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送穩(wěn)恒物理場傳感器工作指令,，開始穩(wěn)恒物理場的數(shù)據(jù)采集,，根據(jù)單片機的數(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進制數(shù)值，并根據(jù)規(guī)則將其換算為實際的物理量,，顯示出來,。
圖5 上位機中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)和圖形化的編程開發(fā)平臺LabVIEW而構(gòu)建的海洋環(huán)境多物理場測量系統(tǒng),。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(tǒng)靈活,，可靠等多項特性，并且結(jié)合了LabVIEW這一強大,、高效的軟件開發(fā)平臺,，使得整個自動化控制和采集系統(tǒng)能成功的應(yīng)用于海洋環(huán)境多物理場的測量中，解決了傳統(tǒng)測量系統(tǒng)體積龐大,，靈活性差,，且操作繁瑣的難題。這也使海上實驗變得更加的方便,、快捷和易于維護,。通過已研制樣機的實驗，其多點同測，穩(wěn)定可靠,，實時便捷,，靈活小巧,，低功耗,，布放方便等諸多優(yōu)點，很好地證明了測量系統(tǒng)能夠滿足海上多種物理場實驗的不同參數(shù)要求,。該系統(tǒng)的成功開發(fā),，也展現(xiàn)了NI公司的虛擬儀器技術(shù)在測試測量領(lǐng)域內(nèi)的良好應(yīng)用前景，為今后海洋環(huán)境多物理場測量陣的研制提供了極為有力的參考,。