使用LabVIEW、PXI、DAQ和DIAdem搭建聲納導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)

挑戰(zhàn)：

對(duì)意大利海軍多功能護(hù)衛(wèi)艦(FREMM)聲納導(dǎo)流罩內(nèi)部不同部件的設(shè)計(jì)和集成進(jìn)行驗(yàn)證。

解決方案：

基于LabVIEW和NI PXI數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件開發(fā)一個(gè)聲納導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SDMS)，來采集處理所有的相關(guān)板載數(shù)據(jù)，并基于NI DIAdem搭建一個(gè)后處理系統(tǒng)。

圖1：聲納導(dǎo)流罩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

· 我們需要一個(gè)可以完成以下功能的SDMS：

· 采集數(shù)據(jù)以分析聲納整流罩的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)行為，以及在船只正常運(yùn)作時(shí)由于流體力學(xué)部件所產(chǎn)生的彈性反應(yīng)。系統(tǒng)必須能夠提供初步的實(shí)時(shí)細(xì)節(jié)(DIAdem通過已記錄的數(shù)據(jù)集做進(jìn)一步的細(xì)節(jié)和互相關(guān)分析)

· 計(jì)算平臺(tái)自身的噪音

· 通過記錄的數(shù)據(jù)和分析，對(duì)導(dǎo)流罩上機(jī)械噪音的傳播及其影響進(jìn)行評(píng)估。

NI軟件和硬件系統(tǒng)構(gòu)架的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是技術(shù)數(shù)據(jù)管理流(TDMS)文件格式，能在實(shí)時(shí)和后處理的狀態(tài)下，將原始數(shù)據(jù)或處理好的數(shù)據(jù)與船舶的姿態(tài)和速度，以及推進(jìn)姿態(tài)，RPM和螺旋槳距自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

SDMS應(yīng)用

SDMS是按照Orizzonte Sistemi Navali(OSN)公司的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)的，他們是多功能護(hù)衛(wèi)艦主要的承包商。CETENA搭建集成整個(gè)系統(tǒng)，SITEM開發(fā)LabVIEW應(yīng)用程序。

DAQ系統(tǒng)是基于PXI/SCXI的平臺(tái)，包括了一個(gè)NI PXI-8110控制器，一個(gè)NI PXI-1050機(jī)箱，一個(gè)NI PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集模塊，四個(gè)NI PXI-4462 IEPE加速度計(jì)DAQ模塊，和兩個(gè)NI SCXI-1520應(yīng)變計(jì)輸入模塊。

即使非專業(yè)的操作員也能使用SDMS記錄所有聲納整流罩相關(guān)的結(jié)構(gòu)和聲音參數(shù)。在船舶運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可以使用SDMS記錄所有聲納整流罩相關(guān)的結(jié)構(gòu)和聲音參數(shù)，無需產(chǎn)生過多數(shù)據(jù)即可對(duì)導(dǎo)流罩內(nèi)部部件的集成進(jìn)行驗(yàn)證。

SDMS包含兩個(gè)操作模式，在非輔助模式下，SDMS軟件會(huì)檢查重要的傳入信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的閾值來檢測(cè)開始/停止記錄觸發(fā)。在輔助模式下，觸發(fā)實(shí)時(shí)閾值估算不可使用。用戶可以選擇是否需要手動(dòng)開始或停止一段記錄，并對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。操作模式可在窗口主界面的操作選項(xiàng)中進(jìn)行控制。

SDMS主要以三種方式對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行管理。在DAQ模擬輸入數(shù)據(jù)采集中，從DAQ模塊中輸出的信號(hào)將直接由應(yīng)用程序進(jìn)行采集、分析和儲(chǔ)存。在OPC數(shù)據(jù)采集中，OPC信號(hào)通過TCP/IP連接和以太網(wǎng)連接到船舶管理系統(tǒng)(SMS)進(jìn)行采集。這些信號(hào)與一些船舶機(jī)械相關(guān)，例如DGs RPM、螺旋槳距，或其他設(shè)備狀態(tài)。在UDP數(shù)據(jù)采集中，信號(hào)采集可以通過導(dǎo)航系統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)完成。

所有被記錄的數(shù)據(jù)都以TDMS文件格式儲(chǔ)存。因?yàn)樗且粋€(gè)開放的構(gòu)架，用戶可以選擇數(shù)據(jù)分析軟件(比如DIAdem)查看數(shù)據(jù)。TDMS文件可以包含原始數(shù)據(jù)，OPC，UDP，加速度計(jì)快速傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)波形，和信道計(jì)算(也被稱為綜合信道)。

SDMS軟件HMI

SDMS人機(jī)界面(HMI)提供了一個(gè)易于使用的圖形化界面來管理采集和處理那些根據(jù)預(yù)見需求所產(chǎn)生的任務(wù)。HMI由一系列已給定任務(wù)的視圖組成并根據(jù)功能的同一性進(jìn)行分組。操作員開啟SDMS項(xiàng)目即可進(jìn)入主頁(主界面)。由此可以進(jìn)入SDMS并使用不同的功能，比如連續(xù)數(shù)據(jù)采集、綜合計(jì)算、或光譜分析、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)獲取，都由不同的軟件模塊進(jìn)行管理。

圖2：SDMS HMI主界面

SDMS HMI在屏幕頂端有固定的標(biāo)題，用于顯示導(dǎo)航系統(tǒng)(NAVS)和船舶機(jī)械中某個(gè)固定OPC和UDP信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)值。在屏幕中央顯示用戶調(diào)用的動(dòng)態(tài)子面板。默認(rèn)的主頁子面板，也被稱為主界面，可以使用戶訪問其他的子面板。SDMS還能計(jì)算一些其他的綜合信道。這些信道可能包括應(yīng)變計(jì)、壓力、水聽器或加速度計(jì)的信號(hào)輸入。

SDMS通道分組

所有通過NI采集系統(tǒng)進(jìn)行采集的通道都會(huì)被分組。通過分組，系統(tǒng)在組中通道的一個(gè)綜合信號(hào)超出閾值時(shí)，依然能在選定的組中記錄通道的原始數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存規(guī)格，記錄開始事件

當(dāng)船舶速度(UDP信號(hào))超過了閾值，主記錄事件便會(huì)被檢測(cè)到。當(dāng)主觸發(fā)事件開始后，系統(tǒng)會(huì)儲(chǔ)存所有的OPC、UDP和綜合計(jì)算信道。之后，主記錄事件會(huì)被檢測(cè)，其他分組的閾值會(huì)繼續(xù)被評(píng)估。系統(tǒng)還具有預(yù)觸發(fā)緩沖的特性。整個(gè)記錄過程會(huì)在觸發(fā)事件檢測(cè)前儲(chǔ)存所有與時(shí)間窗口相關(guān)的的數(shù)據(jù)。SDMS軟件還提供了自動(dòng)硬盤飽和控制工具。

停止記錄，觸發(fā)滯后

當(dāng)以下情況發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)停止所有的記錄過程：

1. 主速度返回值低于閾值。這個(gè)事件還會(huì)停止其他組的原始數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)相關(guān)綜合信道返回值低于閾值，分組原始數(shù)據(jù)停止記錄。

2. 用戶按下停止記錄按鈕(主界面子面板)

SDMS處理

SDMS可以對(duì)水聽器和加速度計(jì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析。對(duì)于水聽器信號(hào)，原始數(shù)據(jù)將根據(jù)應(yīng)用頻譜分析來完成實(shí)時(shí)自身噪音計(jì)算、一個(gè)瀑布圖，以及1/3倍頻程圖形顯示的時(shí)頻頻譜關(guān)系。同樣的，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)對(duì)每一個(gè)傳感器進(jìn)行加速度計(jì)FFT計(jì)算。

SDMS數(shù)據(jù)檢索及SDMS預(yù)警記錄

通過歷史子面板，用戶可以瀏覽以往的測(cè)試過程來找到已記錄的TDMS文件。通過可視化記錄子面板，用戶可以看到所有預(yù)警事件和系統(tǒng)事件的歷史列表?？梢酝ㄟ^篩選選項(xiàng)進(jìn)行日期篩選，開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間篩選，以及事件類型篩選。

結(jié)論

NI硬件和LabVIEW軟件的結(jié)合使得我們團(tuán)隊(duì)即便在面對(duì)客戶復(fù)雜要求的情況下，也能夠在短期內(nèi)開發(fā)應(yīng)用程序?？傮w上，我們用了五個(gè)月的時(shí)間對(duì)軟件應(yīng)用程序進(jìn)行人工設(shè)計(jì)，開發(fā)和測(cè)試。尤其是在起步階段，我們還利用圖形化編程對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，輕松完成調(diào)試。

圖3：水聽器子面板和可視化瀑布圖