基于虛擬儀器海上通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧偉，邢慶龍

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)93分隊(duì)，廣東湛江524022）

基于虛擬儀器海上通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧偉，邢慶龍

（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)93分隊(duì)，廣東湛江524022）

為了滿足海上通信系統(tǒng)特點(diǎn)的要求，系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一集中管理有效地解決了大容量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸難題?；谄ヅ錇V波復(fù)合信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有效地抑制了水聲信號(hào)多途、混響對(duì)海上通信系統(tǒng)的影響，降低了水聲信號(hào)瞬變引起的信號(hào)分裂導(dǎo)致系統(tǒng)漏報(bào)、漏發(fā)概率?；谔摂M儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)的海上通信系統(tǒng)不僅開(kāi)發(fā)周期短，而且便于系統(tǒng)進(jìn)行二次技術(shù)升級(jí)和功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

海上通信系統(tǒng)；匹配濾波器；復(fù)合檢測(cè)技術(shù)；同步采樣；通信傳輸協(xié)議

0 引言

水聲通信距離由于受到媒介的衰減傳輸距離十分有限，在海上為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信將水聲信號(hào)進(jìn)行編碼通過(guò)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行通信，這樣通信距離就會(huì)得到大大提升。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水下設(shè)備，在水下傳輸距離不能滿足要求的情況下就會(huì)采用這種方案來(lái)解決遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題。為了保證通信的實(shí)時(shí)性，將水下數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后把需要的結(jié)果傳輸?shù)浇K端，在無(wú)線通信時(shí)需要同步采樣、建立以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)中提出基于各種接口管理等方法進(jìn)行綜合處理。對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，保證了實(shí)時(shí)性、可靠性要求。

1 海上通信系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，海上通信系統(tǒng)由浮體部分和控制母船兩部分組成。浮體部分主要由保證通信用的無(wú)線數(shù)傳機(jī)、同步GPS接收機(jī)、PC104接口管理、水下部分和電源部分組成。控制平臺(tái)由顯控計(jì)算機(jī)和無(wú)線數(shù)傳機(jī)組成?？刂朴?jì)算機(jī)根據(jù)來(lái)自無(wú)線輸出機(jī)、GPS接收機(jī)、水下的各種信息，輸出控制信號(hào)由無(wú)線數(shù)傳機(jī)發(fā)送控制水下部分的工作狀態(tài)。

圖1 海上通信系統(tǒng)組成框圖

2 基于NI-Compact RIO平臺(tái)開(kāi)發(fā)技術(shù)

NI-Compact RIO可編程自動(dòng)化控制器（PAC）為海上通信系統(tǒng)提供了所需的高性能與高可靠性，Compact RIO提供了一個(gè)開(kāi)放的嵌入式架構(gòu)，包括內(nèi)置的嵌入式控制器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅(jiān)固且可重配置的I/O模塊，因此開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可以快速地生成同步的模擬和數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理。由于采用嵌入式設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)具備低功耗的優(yōu)點(diǎn)，保證了浮體在采用鋰電池供電的情況下連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，提高了系統(tǒng)可靠性。FPGA可重復(fù)配置I/O（RIO）硬件設(shè)備特性[1]，提高了系統(tǒng)的靈活性，便于系統(tǒng)進(jìn)行二次技術(shù)開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展。由于NI-Compact RIO系統(tǒng)和LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境之間的無(wú)縫連接，可以輕松地通過(guò)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境訪問(wèn)底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，可大大縮短項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高開(kāi)發(fā)人員的工作效率。

3 基于無(wú)線通信同步采樣和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)

本系統(tǒng)硬件由信號(hào)實(shí)時(shí)處理模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、PC104接口管理模塊、GPS系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)傳機(jī)系統(tǒng)[2]、顯控計(jì)算機(jī)六個(gè)部分組成。信號(hào)實(shí)時(shí)處理模塊由FPGA和4塊不同的板卡（型號(hào)分別為NI-9215，NI-9215，NI-9263，NI-9401）組成，硬件所有配置信息都在NI-Compact RIO的RT系統(tǒng)上顯示。cRIO-9401，cRIO-9215，cRIO-9263等模塊的數(shù)據(jù)采集處理在FPGA上完成，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進(jìn)行降采樣、濾波等預(yù)處理，圖2為系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)框圖

不同數(shù)據(jù)采集終端的具體硬件配置都不一樣，但是硬件模塊類(lèi)型一致。除了嵌入式控制器cRIO-9022，還有兩組數(shù)據(jù)采集卡NI-9215，每個(gè)采集終端都配有cRIO-9401和cRIO-9215。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)引擎、GPS時(shí)間引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成。在NI-Compact RIO中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些不同的引擎和接口都是獨(dú)立運(yùn)行的VI，通過(guò)上層的動(dòng)態(tài)調(diào)用來(lái)執(zhí)行，這樣可利用NI-Compact RIO多線程的特性，避免各個(gè)模塊之間的相互阻塞干擾，這些所有的引擎和接口都在cRIO-9022的RT上實(shí)現(xiàn)。ENET-485/4模塊對(duì)串口信號(hào)采集，并將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進(jìn)行預(yù)處理。

為了滿足海上通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的要求，數(shù)據(jù)采集終端需要對(duì)水下信號(hào)進(jìn)行精確的時(shí)間同步，系統(tǒng)要求GPS同步采集，對(duì)于海上通信系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集終端距離船載顯控計(jì)算機(jī)在幾千米甚至幾十千米以上，利用基于cRIO-9022的GPS同步采集方案可以很好地解決遠(yuǎn)距離終端同步的難題，具體而言，為數(shù)據(jù)采集終端配置一個(gè)GPS接收機(jī)，它可以獲取已與衛(wèi)星同步的PPS秒脈沖信號(hào)和GPS絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，并送至對(duì)應(yīng)采集終端的cRIO-9401的串口進(jìn)行同步、計(jì)數(shù)和采集。

4 基于PC104 接口管理技術(shù)

在技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)為了便于統(tǒng)一管理，水下信號(hào)處理結(jié)果存盤(pán)、上傳及與上位機(jī)通信等事件都在PC104上實(shí)現(xiàn)。PC104集中管理上位機(jī)和下位機(jī)之間信號(hào)傳輸、GPS信號(hào)同步采集、無(wú)線數(shù)傳機(jī)通信，并在默認(rèn)情況下負(fù)責(zé)將接收到的實(shí)時(shí)原始數(shù)據(jù)保存，事后可通過(guò)網(wǎng)口導(dǎo)出，以便對(duì)其進(jìn)行事后處理分析。

為了滿足海上通信系統(tǒng)需求，建立了適合本系統(tǒng)的通信傳輸協(xié)議技術(shù)[3]。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方建立可靠的連接。TCP協(xié)議能為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接，使一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無(wú)差錯(cuò)地發(fā)往網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)，對(duì)可靠性要求高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)往往使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

UDP協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）是與TCP相對(duì)應(yīng)的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議，它不與對(duì)方建立連接，而是直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去。TCP和UDP之間的區(qū)別如表1所示。

表1 TCP和UDP之間的區(qū)別

根據(jù)實(shí)際工作通信需要建立了表1的通信傳輸協(xié)議來(lái)滿足下位機(jī)信號(hào)處理模塊NI-Compact RIO、接口管理模塊PC104及母船上顯控臺(tái)PC機(jī)之間的通信需求，通過(guò)優(yōu)化它們的優(yōu)先級(jí)和權(quán)限來(lái)保證它們之間數(shù)據(jù)通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。圖3為通信傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)流向圖。

圖3 通信傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)流向圖

5 復(fù)合檢測(cè)技術(shù)

海上通信系統(tǒng)主要是解決水下通信距離受限問(wèn)題，水聲信號(hào)具有自身特點(diǎn)，它瞬態(tài)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、具有突發(fā)性和不穩(wěn)定等特點(diǎn)，在實(shí)際的測(cè)量中存在多種噪聲源的干擾，信噪比較低，單一的檢測(cè)方法往往不能滿足檢測(cè)要求。工程中綜合實(shí)際情況[2]運(yùn)用了匹配濾波技術(shù)、軟門(mén)限處理技術(shù)和抗信號(hào)分裂處理技術(shù)等先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)[4-7]，解決了海上通信系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程中信號(hào)多途、混響、分裂、漏報(bào)、漏發(fā)等問(wèn)題，起到了很好的效果。圖4是工程中基于NI-Compact RIO設(shè)計(jì)的匹配濾波器框圖。

6 結(jié)語(yǔ)

基于NI-Compact RIO平臺(tái)開(kāi)發(fā)海上通信系統(tǒng)是一種全新的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)镹I-Compact RIO平臺(tái)開(kāi)發(fā)的靈活性，大大縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，F(xiàn)PGA可重復(fù)配置I/O（RIO）硬件設(shè)備，便于系統(tǒng)進(jìn)行二次技術(shù)開(kāi)發(fā)和功能擴(kuò)展。本系統(tǒng)中應(yīng)用的幾項(xiàng)關(guān)鍵性設(shè)計(jì)技術(shù)很好地解決了海上通信系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的水下通信提出的需求，也可以為后續(xù)海上通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖4 匹配濾波器框圖

[1]張桐，陳國(guó)順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]楊日杰，高學(xué)強(qiáng)，韓建輝.現(xiàn)代水聲對(duì)抗技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[3]劉瑩，卜雄洙.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25（2）：22-23.

[4]鄺永明.基于LabVIEW多功能虛擬儀器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，31（4）：340-343.

[5]汪偉利，張程源.一種基于LabVIEW的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技博覽，2012（34）：350-351.

[6]危淑平，擺玉龍，許國(guó)威.基于LabVIEW的自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)與研究[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，32（3）：12-17.

[7]羅偉棟，肖光華，方勇.基于LabVIEW的LMS自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，13（4）：457-460.

Design of maritime communication system based on virtual instrument

DENG Wei，XING Qinglong
（The 93 Detachment，Unit 91388 of PLA，Zhanjiang 524022，China）

To satisfy the characteristics requirement of the maritime communication system，the virtual instrument technology is adopted in the system.The problem of large capacity data wireless transmission was solved effectively by uniform centralized management of data exchange.The composite signal detection technology based on matched filtering can effectively restrain the influence of multi-path and reverberation of the underwater sound signal on the maritime communication system，and reduce the system′s false alarm rate and missing alarm rate due to signal splitting causing by the underwater acoustic signal transient.The developed maritime communication system based on virtual instrument technology has short development period，and is easy to proceed secondary technology upgrade and function extension.

maritime communication system；matched filter；composite detection technology；synchronous sampling；communication transport protocol

TN926-34

A

1004-373X（2015）23-0010-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.003

鄧偉（1980—），男，海南人，工程師，碩士。研究方向?yàn)樗履繕?biāo)聲特性研究和水聲信號(hào)數(shù)字處理技術(shù)。

2015-05-28