基于LabVIEW的深海超高壓環(huán)境模擬平臺(tái)水聲采集系統(tǒng)*

童　剛　韓曉玉　孫小冬

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院　青島　266042)

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基于LabVIEW的深海超高壓環(huán)境模擬平臺(tái)水聲采集系統(tǒng)*

童剛韓曉玉孫小冬

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院青島266042)

摘要深海超高壓環(huán)境模擬系統(tǒng)能夠有效減少海試失敗損失,提高深海設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用的成功率,水聲采集系統(tǒng)為各種設(shè)備儀器在高壓環(huán)境下的抗壓性及各項(xiàng)水聲檢測(cè)提供試驗(yàn)手段。該系統(tǒng)在NI PXIe硬件平臺(tái)下借助于LabVIEW圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量、頻域分析和數(shù)據(jù)保存,對(duì)過限信號(hào)進(jìn)行報(bào)警和記錄,并可對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行精確地回調(diào)查看。試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、開發(fā)周期短,能夠?yàn)樯詈３邏耗M環(huán)境下設(shè)備性能測(cè)試提供有效的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞深海超高壓; 水聲采集; LabVIEW圖形化編程; NI PXIe硬件平臺(tái)

Class NumberTP312

1　引言

深海探測(cè)設(shè)備在超高壓環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)不僅能夠提高海試的成功率,還能有效地降低因深海測(cè)試失敗帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失,對(duì)深海探測(cè)具有重要意義。基于該平臺(tái)的水聲采集系統(tǒng),通過水聽檢測(cè)能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)[9]分析試驗(yàn)儀器設(shè)備在超高壓模擬環(huán)境下的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)性能,并具備實(shí)時(shí)報(bào)警和報(bào)警數(shù)據(jù)回調(diào)功能,能夠?yàn)樵O(shè)備優(yōu)化改進(jìn)提供重要參考,是確保設(shè)備儀器能在深海環(huán)境下安全工作的關(guān)鍵所在。

本文中水聲數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備采用美國(guó)國(guó)家儀器PXIe總線[1]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),上位機(jī)分為水聲實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量模塊和報(bào)警歷史數(shù)據(jù)回調(diào)模塊,借助于LabVIEW強(qiáng)大的圖形化編程優(yōu)勢(shì)開發(fā)完成[4,6]。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水聲實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量模塊通過前端傳感器(水聽器)采集被測(cè)信號(hào),由信號(hào)調(diào)理模塊濾波、放大,將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給PXI數(shù)據(jù)采集模塊處理,在上位機(jī)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行頻域分析,并記錄報(bào)警數(shù)據(jù)。報(bào)警歷史數(shù)據(jù)回調(diào)模塊作為一個(gè)獨(dú)立的軟件模塊,以NI嵌入式控制器為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的回調(diào)功能。一般,該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量模塊、歷史數(shù)據(jù)回調(diào)模塊三個(gè)主要部分組成,如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3　硬件設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)罐體內(nèi)需承受近百兆帕的超高壓,所以罐體里的測(cè)量設(shè)備,如深海水聽器、信號(hào)電纜和連接器,都是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的耐高壓部件。信號(hào)調(diào)理模塊將水聽器信號(hào)放大,輸出標(biāo)準(zhǔn)的-10V～+10V電壓信號(hào)。機(jī)箱采用NI PXIe-1065 18槽交流3U PXI Express機(jī)箱,該機(jī)箱9個(gè)PXI插槽、4個(gè)混合插槽、3個(gè)PXI Express插槽、1個(gè)PXI Express系統(tǒng)定時(shí)插槽,與PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模塊兼容,并且每個(gè)插槽具備高達(dá)1GB/s的專用帶寬和超過3GB/s的系統(tǒng)帶寬,完全能夠承擔(dān)水聲采集和其它信號(hào)采集和控制模塊的搭載任務(wù)。數(shù)據(jù)信號(hào)由SCB-68屏蔽式I/O接線盒和SHC68-68-EPM 68針屏蔽電纜接引,通過NI PXI-6221 M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端口采集。處理器采用NI PXIe-8108 2.53GHz雙核PXI Express嵌入式控制器。

整個(gè)硬件系統(tǒng)不僅具有高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和處理性能,而且實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)模塊化、可重組和參數(shù)采集可擴(kuò)展。相對(duì)于傳統(tǒng)硬件開發(fā),依靠NI PXIe總線系統(tǒng)能夠極大地縮短開發(fā)周期,節(jié)省人力資源,提高開發(fā)效率。

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分:模擬深海高壓艙監(jiān)控測(cè)量模塊和水聲數(shù)據(jù)采集文件回調(diào)模塊。這兩個(gè)軟件均基于LabVIEW語言編寫[7,10],并加載了NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)和高級(jí)信號(hào)處理工具包[2～3]。相對(duì)于代碼式的編程語言,LabVIEW能夠靈活定義前面板儀器功能屬性,實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理[5],充分顯示了圖形化編程語言的優(yōu)勢(shì),大大節(jié)省可開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。

4.1模擬深海高壓艙監(jiān)控測(cè)量模塊

該模塊通過水聽器實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量高壓艙內(nèi)的試驗(yàn)儀器設(shè)備,實(shí)時(shí)顯示信號(hào)數(shù)據(jù)和功率譜參數(shù),同時(shí)對(duì)于超過閾值的信號(hào)量進(jìn)行報(bào)警和記錄,報(bào)警的時(shí)間、報(bào)警值和次數(shù)能夠直觀地呈現(xiàn)在前面板上,并且具有頻譜分析和數(shù)據(jù)保存功能。

數(shù)據(jù)采集:該環(huán)節(jié)采用DAQmx系列子VI搭建,其中DAQmx創(chuàng)建虛擬通道.VI用于獲取物理通道,設(shè)置輸入最大值和最小值,并進(jìn)行接線端配置。DAQmx定時(shí).VI用于配置采樣模式,采樣率和每通道采樣數(shù)。DAQmx通道屬性節(jié)點(diǎn).VI設(shè)置為直接存儲(chǔ)器存數(shù)模式,DAQmx讀取.VI配置為模擬波形1通道N采樣模式。

數(shù)據(jù)保存:數(shù)據(jù)以TDMS文件格式進(jìn)行存儲(chǔ),數(shù)據(jù)僅一個(gè)段首,時(shí)間列采用空時(shí)間列。為了能夠在數(shù)據(jù)回調(diào)時(shí)精確定位測(cè)量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)將保存在一系列文件中,文件名采用日期和時(shí)間為后綴,每分鐘保存一個(gè)TDMS文件。

頻譜分析:利用濾波器.VI設(shè)置為帶通模式,并將濾波后的信號(hào)輸入到頻譜測(cè)量.VI中就能夠輕松地實(shí)現(xiàn)功率譜分析,并且濾波器的截止頻率可調(diào)。

數(shù)據(jù)采集、分析和保存程序框圖如圖2所示。

報(bào)警:報(bào)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示在條件結(jié)構(gòu)下以表格的形式完成,報(bào)警時(shí)間通過獲取日期/時(shí)間(s).VI獲取,同時(shí)將當(dāng)前報(bào)警時(shí)間以字符串格式存入文本文件,文件名以系統(tǒng)開始的時(shí)間命名。報(bào)警次數(shù)通過在While循環(huán)系統(tǒng)添加移位寄存器進(jìn)行累加。該模塊報(bào)警顯示和記錄部分程序框圖如圖3所示。

4.2水聲數(shù)據(jù)采集文件回調(diào)模塊

該模塊通過打開監(jiān)控測(cè)量模塊記錄的報(bào)警時(shí)間數(shù)據(jù)文檔,在前面板顯示報(bào)警時(shí)間序列,如圖4所示。單擊索要查看的報(bào)警時(shí)間,該模塊將會(huì)自動(dòng)調(diào)取該時(shí)間下的數(shù)據(jù)記錄文檔,其中的測(cè)量數(shù)據(jù)和功率譜分析數(shù)據(jù)將會(huì)顯示在前面板上,讀取時(shí)間寬度設(shè)置了顯示在前面板上的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度,最大長(zhǎng)度60s,讀取時(shí)間起點(diǎn)定義了該模塊讀取數(shù)據(jù)的起點(diǎn)。如果有需要,還可以將文件用TDMS查看器打開以獲取更詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。同時(shí),該模塊還具備截取當(dāng)前測(cè)量信號(hào)圖片的功能。

圖2　數(shù)據(jù)采集、分析和保存程序框圖

圖3　報(bào)警顯示和記錄部分程序框圖

圖4　報(bào)警時(shí)間路徑化部分程序框圖

該模塊回調(diào)文件的思想是通過打開監(jiān)控測(cè)量模塊記錄的文本文件讀取報(bào)警時(shí)間,通過“電子表格字符串至數(shù)組轉(zhuǎn)換.VI”和“索引數(shù)組.VI”,轉(zhuǎn)換并獲取單個(gè)報(bào)警時(shí)間字符串,如圖5所示。例如“2014/11/07 12:44:02”,截取其中的數(shù)字字符串將其替換并轉(zhuǎn)化為字符串“20_14-11-07_1244”,然后將監(jiān)控測(cè)量模塊存儲(chǔ)文件的默認(rèn)路徑字符串,如“C:UsersDZJDocumentsLabVIEW Data”和字符串常量“.tdms”連接并路徑化。這樣“TDMS打開子.VI”便得到了“C:UsersDZJDocumentsLabVIEW Data20_14-11-07_1244.tdms”的路徑,而該路徑便是當(dāng)前時(shí)間下監(jiān)控測(cè)量模塊存儲(chǔ)文件的默認(rèn)路徑。

圖5　報(bào)警文件讀取程序框圖

5　系統(tǒng)測(cè)試

將設(shè)備接線組裝完畢后上電,在上位機(jī)中打開“模擬深海高壓艙監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)”,通道設(shè)置在相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡模擬輸入端,采樣頻率200KHz,選擇是否保存數(shù)據(jù),設(shè)置報(bào)警閾值,點(diǎn)擊運(yùn)行。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)顯示帶通濾波后的水聽器載波信號(hào)和頻域分析信號(hào),當(dāng)水中有振動(dòng)產(chǎn)生時(shí),信號(hào)會(huì)被即時(shí)監(jiān)測(cè)到,超過報(bào)警閾值的信號(hào)量會(huì)被記錄下來。實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)前面板圖如圖6所示。

圖6　實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)前面板圖

打開數(shù)據(jù)回調(diào)系統(tǒng),找到以時(shí)間命名的記錄報(bào)警時(shí)間的txt文檔路徑,運(yùn)行系統(tǒng),所有報(bào)警時(shí)間記錄將被羅列在前面板上,點(diǎn)擊某一報(bào)警時(shí)間,該時(shí)間下60s的數(shù)據(jù)會(huì)被抽調(diào)出來,并能方便地找到某時(shí)間點(diǎn)報(bào)警數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回調(diào)系統(tǒng)前面板圖如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)回調(diào)系統(tǒng)前面板圖

6　結(jié)語

該水聲采集系統(tǒng)作為深海超高壓環(huán)境模擬系統(tǒng)的檢測(cè)手段,能夠在儀器設(shè)備海試前檢測(cè)其抗壓性能,獲取準(zhǔn)確的性能參數(shù),極大地降低了因海試失敗帶來的經(jīng)濟(jì)損失[8]。該系統(tǒng)在NI PXIe總線硬件平臺(tái)下具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性,且LabVIEW圖形化編程試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具備較高的水聲檢測(cè)靈敏度和數(shù)據(jù)分析功能,能夠有效提高深海儀器設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用的成功率。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2015年10月8日,修回日期:2015年11月24日

作者簡(jiǎn)介:童剛,男,博士,教授,研究方向:檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置,數(shù)字圖像處理。韓曉玉,女,碩士研究生,研究方向:圖像處理與模式識(shí)別。孫小冬,男,碩士研究生,研究方向:圖像處理與模式識(shí)別。

中圖分類號(hào)TP312

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.023

Deep Sea Ultrahigh Pressure Environment Simulation Platform Sound Acquisition System Based on the LabVIEW

TONG GangHAN XiaoyuSUN Xiaodong

(Automation and Electronic Engineering Institute, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao266042)

AbstractThe abyssal ultrahigh voltage environmental simulation system can decrease the loss of sea trial, improve the success rate of the research and application of deepsea equipment. The water sount acquisition system can supply all kinds of equipment testing technology to do compressive property detection and the underwater acoustic detection in the hyperbaric environment. Using LabVIEW grphical programming language from NI PXle hareware platform, this system can achieve data real time measurement, frequency-domain analysis and data storage. The off key data can be recorded and examined accurately. The experiment led up to the fact that this system is stable and reliable, which can provide an effective technical support for chnical characteristis test in abyssal ultrahigh voltage anolog environment.

Key Wordsabyssal ultrahigh voltage, water sount acquisition system, LabVIEW grphical programming, NI PXle hareware platform