基于虛擬儀器技術(shù)的便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)?

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)的采集和分析已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究方面有了極大的應(yīng)用。普通的數(shù)據(jù)采集一般由單片機(jī)和硬件采集電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而單片機(jī)采集信號(hào)存在編程復(fù)雜、使用不便等缺點(diǎn)，在實(shí)際的應(yīng)用中效率不高。隨著虛擬儀器技術(shù)和NI采集卡的廣泛發(fā)展，基于LabVIEW技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被人們廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)大大提高了工作效率，使用便捷，人機(jī)界面友好，操作方便。本文利用USB-4431采集卡、虛擬儀器軟件（LaBVIEW）及主控計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)，通過(guò)改變主控計(jì)算機(jī)上軟件的前面板工作參數(shù)，就能夠改變系統(tǒng)的功能，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水聲信號(hào)的高速采樣、存儲(chǔ)及分析。

2 便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀由水聽器、USB-4431采集卡、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集與處理軟件組成。采集卡模擬信號(hào)輸入通道上的水聽器在同步信號(hào)的觸發(fā)下對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，上位機(jī)軟件在采集的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)及處理。便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀的核心是USB-4431采集卡，采集卡的最高采樣率為204kS/s;具有同步觸發(fā)功能。整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀流程框圖

3 便攜式水聲監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、存儲(chǔ)及信號(hào)分析等部分組成。打開程序軟件前，首先設(shè)置采集卡USB-4431的接收通道及采樣率，設(shè)置完畢后，打開系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)開始采集信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)分析，在前面板會(huì)看到實(shí)時(shí)采集到的的系統(tǒng)信號(hào)以及檢測(cè)到的信號(hào)。

3.2 信號(hào)采集控制模塊

LabVIEW信號(hào)采集程序的編寫主要包含通道設(shè)置、采樣率設(shè)置、觸發(fā)設(shè)置等。圖2是信號(hào)采集模塊程序框圖。

1）通道設(shè)置主要包括輸入通道和輸出通道設(shè)置以及通道名稱等。

2）采樣率設(shè)置一般是被采集信號(hào)頻率的兩倍，本系統(tǒng)的采樣率為100kHz。

3）觸發(fā)設(shè)置選擇外同步觸發(fā)，觸發(fā)周期為2s。

3.3 信號(hào)保存

信號(hào)的存儲(chǔ)是為了將采集到的信號(hào)進(jìn)行保存，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，軟件中文件的存儲(chǔ)格式為.tdms。

圖3 便攜式水聲檢測(cè)儀信號(hào)存儲(chǔ)模塊

3.4 信號(hào)分析處理模塊

信號(hào)的處理分析模塊主要是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析。程序的前面板完成人機(jī)交互的操作，程序框圖主要完成功能設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的信號(hào)分析主要是通過(guò)濾波器對(duì)信號(hào)濾波，對(duì)信號(hào)取包絡(luò)完成信號(hào)的檢測(cè)，進(jìn)而得到被測(cè)信號(hào)的時(shí)延信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的測(cè)量。

圖4 便攜式水聲檢測(cè)儀信號(hào)處理分析模塊

4 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室利用多功能信號(hào)發(fā)生器模擬目標(biāo)生成10kHz、周期是2s、脈寬為20ms的單頻信號(hào),通過(guò)水聽器將信號(hào)發(fā)射出來(lái)，模擬被測(cè)目標(biāo)，采集卡的采樣率為100kHz，在外部同步信號(hào)的觸發(fā)下對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，上位機(jī)程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行存儲(chǔ)及分析處理，檢測(cè)出被測(cè)目標(biāo)的位置信息。圖5為檢測(cè)到的信號(hào)波形圖。

圖5 程序設(shè)計(jì)的前面板

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)便攜式水聲檢測(cè)儀系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行了深入研究，達(dá)到了一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｏ到y(tǒng)主界面采用模塊化程序設(shè)計(jì)，通過(guò)搭建各個(gè)模塊完成系統(tǒng)的應(yīng)用，整個(gè)系通操作方便，采集卡的采集效率高，數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失，能夠?qū)崟r(shí)看到采集的信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試設(shè)備簡(jiǎn)單便捷，程序可深層次開發(fā)，在后續(xù)的科學(xué)研究中能夠起到一定的作用。