NI Compact RIO模塊在海洋環(huán)境多物理場測量中的應(yīng)用
介紹: 在進(jìn)行海洋環(huán)境多物理場測量時,對系統(tǒng)的要求是要滿足多種物理場不同的參數(shù)要求,多點(diǎn)同測,實時便捷,靈活小巧,低功耗,布放方便。而傳統(tǒng)的測量系統(tǒng),體積龐大,靈活性差,且操作繁瑣。本系統(tǒng)基于LabVIEW 8.0的圖形化開發(fā)環(huán)境,利用NI-Compact RIO實時采集模塊開發(fā)的測試系統(tǒng),不僅具備了傳統(tǒng)海洋環(huán)境水下物理場測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸與存儲等功能模塊,還可組成分布式采集系統(tǒng),同時,其靈巧的外形,廉價的成本,簡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,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(diǎn)。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(diǎn),已嚴(yán)重限制了在需要多個環(huán)境物理場同時進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)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(diǎn)采集陣列,通過岸上的PC機(jī),對水下的各個采集點(diǎn)進(jìn)行控制,各個采集點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳送到岸上,進(jìn)行顯示和處理,基于以上幾點(diǎn)考慮以及根據(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(jìn)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(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(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(dú)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(qiáng);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(diǎn)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(jī)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(jìn)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(dá)到10K,而對于直流信號,系統(tǒng)中利用單片機(jī),將信號采集進(jìn)來,通過NI cRIO-9004控制器的串口,將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī),進(jìn)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(jìn)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(jī)來進(jìn)行采集控制,而數(shù)據(jù)利用串口通過單片機(jī)傳送給NI cRIO-9004,并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)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(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(diǎn)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(yùn)行速度的問題產(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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn),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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