基于Lab Windows/CVI的激光聲遙感系統(tǒng)

1　引言

Windows操作系統(tǒng)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(tǒng)平臺(tái)，由于Windows對(duì)系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，因而對(duì)用戶而言，系統(tǒng)變得更為安全，但這卻給眾多的硬件或者系統(tǒng)軟件開發(fā)人員帶來(lái)了不小的困難，因?yàn)橹灰獞?yīng)用中涉及到底層的操作，如直接訪問I/O端口和物理內(nèi)存等，開發(fā)人員就不得不深入到Windows的內(nèi)核去編寫屬于系統(tǒng)級(jí)的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。筆者開發(fā)的激光聲遙感系統(tǒng)顯控軟件中涉及到物理內(nèi)存的訪問和信號(hào)波形的顯示，如采用VC++等語(yǔ)言開發(fā)，一方面開發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)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(xiàn)起來(lái)也較繁雜，而如果在Lab Windows/CVI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(tǒng)的性能更加出色。

2　關(guān)于Lab windows/CVI

Lab Windows/CVI 是美國(guó)NI(National Instrument)公司開發(fā)的Measurement Studio軟件組中的一員，是32位的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，可在Windows 98/NT/2000等操作系統(tǒng)下運(yùn)行。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和顯示的測(cè)控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來(lái)。它的交互式開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員建立自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。當(dāng)前的最新版本Lab Windows/CVI 7.0更因其完全集成的工作平臺(tái)(Workspace)、可生成代碼的硬件配置助手以及經(jīng)重新設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集界面為廣大用戶提供更靈活、高效又長(zhǎng)期穩(wěn)定的ANSI C編程，大幅增加了開發(fā)速度。它的用戶界面函數(shù)庫(kù)除了提供一般程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言提供的控件外，還擴(kuò)展了新的完善的帶有圖像、標(biāo)記和分欄功能的樹型控件、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(nèi)置DataSocket以及另一個(gè)x軸的功能，能更有效地顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。另外，Lab Windows/CVI還支持多線程編程及物理內(nèi)存訪問，它不僅提供了用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取的內(nèi)存管理函數(shù)，還在Utility函數(shù)庫(kù)中提供了利用物理地址對(duì)內(nèi)存直接訪問的Physical Memory Access子類，本文中顯控軟件的設(shè)計(jì)正是基于它這幾個(gè)方面的特性。

3、激光聲遙感系統(tǒng)概述

激光聲遙感系統(tǒng)是一種新型的水下目標(biāo)遙感探測(cè)系統(tǒng)，它通過(guò)對(duì)接收到的水下目標(biāo)反射的寬帶窄脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的探測(cè)和定位。因此，在軍事和國(guó)防建設(shè)中具有重要的意義。

系統(tǒng)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(hào)，信號(hào)在傳播的過(guò)程中遇到水下目標(biāo)發(fā)生散射或反射后有部分聲波會(huì)透過(guò)水面?zhèn)鞑サ娇諝庵小Ｔ诳罩胁挤诺穆曣噷⒔邮盏降穆曅盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送多波束接收機(jī)進(jìn)行采集、處理、顯示、分析，進(jìn)而確定水下目標(biāo)的方位和距離。

按系統(tǒng)要求，該接收機(jī)將完成對(duì)采樣率高達(dá)384KHz的8路信號(hào)的波束形成、檢波和短積分處理，并能夠?qū)崟r(shí)顯示14個(gè)波束的目標(biāo)信號(hào)方位─距離畫面及光標(biāo)所選目標(biāo)的方位、距離數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的DSP部分包括前置預(yù)處理分機(jī)、高速信號(hào)處理分機(jī)和顯示控制分機(jī)三個(gè)部分。其中前兩部分集成為專用的DSP分機(jī)，顯控分機(jī)采用高性能微機(jī)，二者通過(guò)PCI總線接口卡進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)信息的交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



圖1 數(shù)字多波束接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作時(shí)首先啟動(dòng)顯控微機(jī)和DSP處理機(jī)，顯控微機(jī)啟動(dòng)圖形用戶界面應(yīng)用程序，接收用戶設(shè)置輸入，并檢測(cè)激光系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)；DSP分機(jī)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(tǒng)發(fā)射后觸發(fā)主控微機(jī)向DSP分機(jī)發(fā)送增益設(shè)置命令及啟動(dòng)信號(hào)。DSP分機(jī)對(duì)來(lái)自接收陣的信號(hào)進(jìn)行采集和計(jì)算，形成目標(biāo)的方位—距離波形數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)輸出雙口RAM中，數(shù)據(jù)滿一幀后由顯控微機(jī)進(jìn)行讀取、顯示，并可以文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)。接收機(jī)作為微機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備，是按照數(shù)據(jù)空間進(jìn)行讀寫操作的，根據(jù)微機(jī)內(nèi)存資源配置情況，選擇了內(nèi)存的EXXXXH空間存儲(chǔ)14個(gè)波束的數(shù)據(jù)（字存?。?，相鄰兩個(gè)波束數(shù)據(jù)交錯(cuò)排列，處于同一區(qū)間，區(qū)間分配情況如下表所示。

表1 波束數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址分配表

4、顯控軟件設(shè)計(jì)

4.1顯控軟件功能

該程序負(fù)責(zé)啟動(dòng)接收機(jī)工作，并完成14個(gè)波束的方位—距離數(shù)據(jù)顯示，它首先將輸入的增益值及波束號(hào)轉(zhuǎn)換為控制碼，然后以程序詢問的方式認(rèn)知發(fā)射機(jī)同步信號(hào)的到來(lái)，如接收到發(fā)射機(jī)同步信號(hào)，則控制接收機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，并將控制碼寫入接收機(jī)控制寄存器的指定位，最后將該次發(fā)射所得處理結(jié)果顯示輸出，直至用戶按“ESC”鍵停止程序的運(yùn)行。

這部分軟件運(yùn)行于主控機(jī)上，以菜單驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行操作，其控制功能包括對(duì)接收機(jī)的增益進(jìn)行設(shè)置、執(zhí)行波束選擇及聲陣的高度輸入等，并對(duì)接收機(jī)信號(hào)處理單元進(jìn)行起停控制；顯示功能則完成14個(gè)波束的方位—距離數(shù)據(jù)顯示或?qū)χ付úㄊ牟ㄐ芜M(jìn)行輸出，并能夠以文字方式給出光標(biāo)所在位置的目標(biāo)方位及距離。全部功能可總結(jié)為如下幾項(xiàng)：

(1) 系統(tǒng)及圖形環(huán)境初始化；