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基于LabVIEW的海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-10-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  一、引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193133.htm

  近些年來,隨著人類對(duì)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(chǎng)也成為了研究關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)于物理場(chǎng)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(chǎng)的變化規(guī)律,使我們?cè)诤Q蟮刭|(zhì)勘測(cè)、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(chǎng)水下物理場(chǎng)測(cè)量測(cè)試需求的增加,傳統(tǒng)的測(cè)試手段已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的測(cè)量需要,繁多的各物理場(chǎng)采集系統(tǒng)硬件設(shè)備測(cè)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(gè)環(huán)境物理場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量中的應(yīng)用。因此,對(duì)于一個(gè)小型化、智能化、布放便捷的物理場(chǎng)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(jì)思想:

  本系統(tǒng)是基于海洋中多個(gè)環(huán)境物理場(chǎng)的綜合測(cè)量方法。物理場(chǎng)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(gè)物理場(chǎng)均有其特有的特性,這讓現(xiàn)有的水下物理場(chǎng)采集系統(tǒng)越來越無法滿足測(cè)量的需要;對(duì)于海洋的環(huán)境物理場(chǎng),單點(diǎn)的所獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)無法滿足對(duì)于海洋環(huán)境物理場(chǎng)測(cè)量與分析的需求,而通過水下測(cè)量陣的多點(diǎn)探測(cè),可以搜集到測(cè)量海域內(nèi)大量的海洋環(huán)境物理場(chǎng)數(shù)據(jù),為研究人員準(zhǔn)確的確定物理場(chǎng)的參數(shù)提供了方便。

  同時(shí),為了預(yù)測(cè)海洋環(huán)境物理場(chǎng)的變化趨勢(shì),一個(gè)能夠長(zhǎng)期在水下工作的也是必須的。對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì),需要一個(gè)多點(diǎn)采集陣列,通過岸上的PC機(jī),對(duì)水下的各個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行控制,各個(gè)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(duì)于本套系統(tǒng)提出的要求是:

  (1)智能化:靈活多樣的測(cè)量方式,因?yàn)樗碌亩喾N物理場(chǎng),其對(duì)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(cè)量人員操作;

  (2)小型化:為了方便海上實(shí)測(cè)、布放的需要,以及對(duì)于水密艙的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shí)的沖撞,同時(shí),長(zhǎng)期工作時(shí)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(duì)多個(gè)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(jiān)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(shí)現(xiàn)超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個(gè)實(shí)時(shí)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(hào)調(diào)理,均符合大多數(shù)海洋環(huán)境物理場(chǎng)測(cè)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(cè)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(cè)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(shí),NI公司的 RT 模塊、 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(duì)于整個(gè)水下測(cè)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(gè)測(cè)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(jiǎn)介

  2.1 NI cRIO-9004特性指標(biāo):

  配置有一個(gè)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(gè)采集通道同時(shí)工作的情況下,功耗只有24W;有512M的存儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(shí)鐘頻率… …………12.8MHz

  3.單個(gè)水下采集模塊硬件系統(tǒng)架構(gòu)

  在多個(gè)水下物理場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),對(duì)每個(gè)物理場(chǎng)的采樣要求并不相同,對(duì)于交變物理場(chǎng),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(duì)于直流信號(hào),系統(tǒng)中利用單片機(jī),將信號(hào)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(chǎng)測(cè)量陣如圖1所示。

  

31.jpg

  圖1 海洋環(huán)境多物理場(chǎng)測(cè)量陣

  對(duì)于水下測(cè)量系統(tǒng)來說,系統(tǒng)的布放是測(cè)量的一個(gè)重要組成部分,系統(tǒng)布放的成功與否直接影響了測(cè)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?cè)谙到y(tǒng)中集成了姿態(tài)儀,通過它們掌握測(cè)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(hào)共用一個(gè)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(gè)水下采集模塊硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示:

  

32.jpg

  圖2 采集系統(tǒng)框架圖


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