中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯凱彬，田孝華，李光明

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077）

0 引言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由單片機(jī)與硬件采集電路或數(shù)據(jù)采集卡配置計(jì)算機(jī)完成，且其上位機(jī)軟件多采用VC++，VB等語(yǔ)言編寫(xiě)。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在開(kāi)發(fā)難度大、可移植性差、數(shù)據(jù)采集效率低、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)容量小等缺點(diǎn)。因此滿足現(xiàn)代工程對(duì)實(shí)時(shí)性和靈活性的要求。

LabVIEW 是業(yè)界領(lǐng)先的高效圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]，是美國(guó)NI(National Instrument)公司研制的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)程序語(yǔ)言不同，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和儀器控制能力。在工程應(yīng)用上，有很多方面都可以利用虛擬儀器平臺(tái)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，陳鵬等開(kāi)發(fā)了一種基于LabVIEW的電磁超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大大提高了電磁超聲檢測(cè)軟件的效率與實(shí)用性[2]；顧文武，何慶東等利用 LabVIEW 和智能儀器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，極大地提高了智能儀器的性能[3]。將虛擬儀器應(yīng)用在中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理中，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)軟、硬件資源的共享，也打破了傳統(tǒng)虛擬儀器將信號(hào)的采集、分析處理和顯示都集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的限制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控，不僅節(jié)省了大量的資源和成本，還進(jìn)一步拓寬了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)很有意義。

1 中波導(dǎo)航信號(hào)格式

中波導(dǎo)航系統(tǒng)具有可以直接利用民用廣播電臺(tái)信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航以及飛行員使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，所以它一直經(jīng)久不衰。中波導(dǎo)航系統(tǒng)，又叫無(wú)線電羅盤(pán)系統(tǒng)。它由機(jī)載設(shè)備（無(wú)線電羅盤(pán)）和地面設(shè)備（中波導(dǎo)航機(jī)）兩部分組成。無(wú)線電羅盤(pán)對(duì)接收的中波導(dǎo)航信標(biāo)全向發(fā)射的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，得到所需的測(cè)向信息。為了能給飛行人員提供臺(tái)識(shí)別信息（指示出是哪一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)），就需要在發(fā)射的連續(xù)等幅信號(hào)中調(diào)制識(shí)別信號(hào)。中波導(dǎo)航信號(hào)源模擬中波導(dǎo)航機(jī)發(fā)射周期信號(hào)，信號(hào)格式為“連續(xù)鍵控調(diào)幅波＋連續(xù)等幅波”，發(fā)臺(tái)站識(shí)別信號(hào)時(shí)的波形為連續(xù)鍵控調(diào)幅波，發(fā)導(dǎo)航信號(hào)時(shí)的波形為等幅波。臺(tái)站識(shí)別信號(hào)是一個(gè)受鍵控音頻信號(hào)調(diào)制的連續(xù)波信號(hào)，音頻信號(hào)的鍵控是一組由“點(diǎn)”、“劃”構(gòu)成的莫爾斯碼（臺(tái)站識(shí)別碼）實(shí)現(xiàn)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)是基于PXIe-1082機(jī)箱，利用NI公司PXIe-8840零槽控制器和PXIe-5672矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需要的中波導(dǎo)航信號(hào)，然后利用 PXI-5124高速數(shù)字化儀采集中波導(dǎo)航信號(hào)。PXI-5124高速數(shù)字化儀是系統(tǒng)硬件部分的核心，可直接插入PXIe-1082機(jī)箱插槽中，屬于內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。PXI-5124高速數(shù)字化儀提供 12位分辨率的雙同步采樣通道，每個(gè)通道實(shí)時(shí)采樣率最高可以達(dá)到200MS/s，采用隨機(jī)交叉的方式，采樣率能夠達(dá)到 4GS/s[4]，帶有去噪和抗混疊濾波器帶寬為 150MHz，大容量板載內(nèi)存 256MB。通過(guò)LabVIEW嵌入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)可配置其觸發(fā)方式，如邊緣、視窗、滯環(huán)、視頻和數(shù)字觸發(fā)等，還可設(shè)置最小采樣速率和最小記錄長(zhǎng)度。這里觸發(fā)配置為單通道即時(shí)觸發(fā)模式，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣。根據(jù)采樣定理，最小采樣速率至少應(yīng)設(shè)為被采集的中波導(dǎo)航信號(hào)最高頻率的兩倍[5]。中波導(dǎo)航信號(hào)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 I/O驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

NI-SCOPE 驅(qū)動(dòng)支持 NI5102，NI5112，NI5124，NI5185，NI5900等設(shè)備，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)的 API函數(shù)和DAQ驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)。NI-SCOPE各驅(qū)動(dòng)函數(shù)位于程序框圖“函數(shù)-測(cè)量 I/O-NI-SCOPE”中，包括初始化函數(shù)，水平設(shè)置函數(shù)，垂直設(shè)置函數(shù)，觸發(fā)函數(shù)，讀取函數(shù)，關(guān)閉函數(shù)等。首先調(diào)用初始化函數(shù)打開(kāi)一個(gè)任務(wù)建立與 PXI-5124的聯(lián)系，同時(shí)設(shè)置設(shè)備資源名稱和是否復(fù)位采集卡，然后配置采樣模式，設(shè)置幅度范圍和選擇采樣通道，接著設(shè)置最小采樣速率和最小記錄長(zhǎng)度，然后設(shè)置觸發(fā)模式，最后讀取采集數(shù)據(jù)，關(guān)閉NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)。在中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，我們將采樣模式設(shè)為“正常采集”，幅度范圍設(shè)為-10～10，采樣通道選擇“通道0”，設(shè)計(jì)了兩種觸發(fā)方式，邊沿觸發(fā)和即時(shí)觸發(fā)。采樣頻率和采樣記錄長(zhǎng)度由輸入控件控制。

3.2 隊(duì)列緩沖模塊設(shè)計(jì)

首先通過(guò)調(diào)用“獲取隊(duì)列引用”函數(shù)設(shè)置新建隊(duì)列的名字，并且根據(jù)采集的實(shí)際需要設(shè)置隊(duì)列最大尺寸，然后調(diào)用“有損耗元素入隊(duì)列”函數(shù)，不斷地往新隊(duì)列中添加元素，同時(shí)利用“獲取隊(duì)列狀態(tài)”函數(shù)實(shí)時(shí)返回隊(duì)列的當(dāng)前狀態(tài)信息（例如當(dāng)前隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)，隊(duì)列元素等），如果需要讀取隊(duì)列中的元素，則調(diào)用“清空隊(duì)列”函數(shù)以數(shù)組的形式一次性將隊(duì)列中的元素全部讀取出來(lái)并清空緩沖區(qū)。如果不需讀取隊(duì)列元素，則當(dāng)隊(duì)列元素?cái)?shù)等于隊(duì)列最大尺寸時(shí)，“有損耗元素入隊(duì)列”函數(shù)將會(huì)通過(guò)不斷刪除隊(duì)列最前端的元素使新元素立即入隊(duì)，它可以在不需要保存數(shù)據(jù)時(shí)，使緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不斷得到更新，最新的數(shù)據(jù)一直被保存在緩沖區(qū)中，這樣便實(shí)現(xiàn)了循環(huán)FIFO功能，進(jìn)而達(dá)到緩沖目的。

3.3 數(shù)據(jù)保存模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)保存模塊主要采用事件結(jié)構(gòu)，事件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)子程序框圖或事件分支，結(jié)構(gòu)執(zhí)行時(shí)，僅有一個(gè)子程序框圖或分支在執(zhí)行，事件結(jié)構(gòu)可等待直至事件發(fā)生，才執(zhí)行相應(yīng)條件分支，處理該事件。在中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，按下保存按鈕，將會(huì)存儲(chǔ)緩沖區(qū)中采集的最新數(shù)據(jù)并同時(shí)清空緩沖區(qū)。采用事件結(jié)構(gòu)的好處是只有當(dāng)我們需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們?cè)俦４鏀?shù)據(jù)。這樣大部分時(shí)間只有采集線程在工作，只是在存儲(chǔ)的很短的時(shí)間內(nèi)，分配一些時(shí)間給存儲(chǔ)線程，這樣不會(huì)對(duì)采集線程造成多大影響，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。這大大提高了系統(tǒng)資源的利用率，既保證了數(shù)據(jù)采集的效率，又為下一步的數(shù)據(jù)處理提供了最新數(shù)據(jù)。另外，采用“寫(xiě)入測(cè)量文件”VI，以TDMS文件的形式存儲(chǔ)波形文件，TDMS文件具有良好的邏輯結(jié)構(gòu)，可以為數(shù)據(jù)添加描述屬性，有利于數(shù)據(jù)的查詢和管理。While循環(huán)則用于數(shù)據(jù)保存的循環(huán)進(jìn)行。

3.4 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)時(shí)域信號(hào)，通常情況下很難看出其信號(hào)特征，為了獲得信號(hào)的特征信息，經(jīng)常是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析。利用“讀取測(cè)量文件”VI讀取保存在計(jì)算機(jī) D:My DocumentsLabVIEW Data est.tdms中的中波導(dǎo)航信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度譜與功率譜分析，通過(guò)利用“頻譜測(cè)量”VI得到信號(hào)的幅度譜、功率譜。通過(guò)“提取混合單頻信息”VI獲得波形各個(gè)頻率處的幅值、頻率和相位。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及波形顯示、頻譜、功率譜分析等實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)做成的中波導(dǎo)航信號(hào)源，采用 NI公司的PXIe-5672矢量信號(hào)發(fā)生器發(fā)射功率為-10dBm，頻率為500kHz的周期中波信號(hào)，利用PXI-5124高速數(shù)字化儀對(duì)中波信號(hào)進(jìn)行單通道采樣，輸入采樣頻率設(shè)為 5MHz，實(shí)際采樣頻率為 5MHz。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置緩沖區(qū)的大小為 2000，緩沖區(qū)滿時(shí)指示燈亮，實(shí)際上緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)采集的要求自己設(shè)定，并且能夠監(jiān)視隊(duì)列中元素的數(shù)量，按下保存按鈕，緩沖區(qū)中采集的最新數(shù)據(jù)將被保存在以.tdms為后綴名的波形文件中，同時(shí)緩沖區(qū)也被清空。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真，如圖2所示，采集得到的中波導(dǎo)航信號(hào)，頻率為500 kHz，莫爾斯碼格式與中波導(dǎo)航信號(hào)源發(fā)射信號(hào)識(shí)別碼完全相同，都為“劃點(diǎn)點(diǎn)劃，劃點(diǎn)劃劃”。

圖2 中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板圖

圖3 中波導(dǎo)航信號(hào)譜分析圖

如圖3所示，對(duì)采集到的中波信號(hào)進(jìn)行譜分析和提取混合單頻，觀察到信號(hào)的幅度和功率主要集中在500 kHz處，值約為-10 dBm，在500 kHz的整數(shù)倍處雖然出現(xiàn)了高頻諧波分量，但幅值和功率值都很小，其中最大的一個(gè)諧波分量值大約為-40dBm，所以諧波均可以忽略。該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行一個(gè)小時(shí)后，仍可正常高速采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集的目的，說(shuō)明利用隊(duì)列技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩沖，保證了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)高速進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器的中波導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以較高的采樣率在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的目的，同時(shí)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了幅度和功率分析，下一步將會(huì)在信號(hào)中加入多徑、轉(zhuǎn)發(fā)干擾等因素，使其更加接近實(shí)際環(huán)境。

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