基于NI CompactRIO和LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場測量系統(tǒng)
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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(qiáng)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(kuò)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(kuò)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(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集；將采集信號傳送到上位機(jī)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)給單片機(jī)發(fā)送命令進(jìn)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(jī)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(jìn)行軟件報警。
在對水下測量體進(jìn)行布放的時候，程序發(fā)送姿態(tài)儀工作指令給單片機(jī)，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(dá)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(hù)。通過已研制樣機(jī)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。
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