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        基于虛擬儀器的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2012-08-21 01:33:02
        艦船科學(xué)技術(shù) 2012年11期
        關(guān)鍵詞:下位電磁場(chǎng)測(cè)控

        田 稷

        (大連測(cè)控技術(shù)研究所,遼寧 大連 116013)

        0 引言

        近年來(lái),隨著武器裝備的發(fā)展與海洋開(kāi)發(fā)的深入,對(duì)海洋環(huán)境的重視程度越來(lái)越高。尤其是海洋中的環(huán)境電磁場(chǎng),對(duì)海洋開(kāi)發(fā)及武器裝備的研究都有著重要的影響。

        海洋中的環(huán)境電磁場(chǎng),一方面有著重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如大地電磁場(chǎng)可用于海洋石油勘探以及深部地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查;海水流動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可用來(lái)研究海水各種運(yùn)動(dòng) (海水表面長(zhǎng)波、內(nèi)波、潮汐和海流等)。但另一方面,海洋環(huán)境電磁場(chǎng)卻是軍事應(yīng)用的干擾源,影響到海軍武器裝備的實(shí)戰(zhàn)性能,甚至使武器在海戰(zhàn)中失效。另外,海洋環(huán)境電磁場(chǎng)是水中目標(biāo)電磁場(chǎng)探測(cè)以及艦船電磁場(chǎng)隱身測(cè)試的干擾源,降低了遠(yuǎn)程探測(cè)能力和測(cè)試數(shù)據(jù)的精度。

        由于海洋中存在多種環(huán)境電磁場(chǎng),既有包括大地電磁場(chǎng)、海流和海洋波浪產(chǎn)生的天然電磁場(chǎng),也有高壓輸電線、交通工具、工廠、碼頭電機(jī)作業(yè)所產(chǎn)生的人為因素的電磁場(chǎng)。通過(guò)建立合適的海洋環(huán)境電磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng),可以進(jìn)行長(zhǎng)期的環(huán)境電磁場(chǎng)觀測(cè),獲取有效數(shù)據(jù),結(jié)合海洋溫度、深度、鹽度及洋流等其他環(huán)境信息來(lái)開(kāi)展海洋環(huán)境電磁場(chǎng)特性的分析。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

        本系統(tǒng)是基于對(duì)海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)的觀測(cè)建立的,針對(duì)海洋電磁場(chǎng)的環(huán)境特征,通過(guò)建立觀測(cè)方法,并結(jié)合系統(tǒng)的布放和觀測(cè)條件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要遵循以下原則:

        1)智能化。靈活多樣的測(cè)量方式,因?yàn)樗露喾N物理場(chǎng)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)將是首選。

        結(jié)合以上設(shè)計(jì)原則,本文采用NI的虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在虛擬儀器中,將信號(hào)的采集與系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的分析與處理、結(jié)果的顯示與輸出功能模塊部分或全部由計(jì)算機(jī)來(lái)完成??梢杂霉δ軓?qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件來(lái)代替某些傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器,從而大大減少設(shè)備量和成本,與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有高性價(jià)比、簡(jiǎn)潔、方便、靈活等特點(diǎn)。

        同時(shí),系統(tǒng)采用有纜方式,這樣可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)的觀測(cè)、存儲(chǔ)與處理,并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。由于試驗(yàn)海域距離觀測(cè)站距離較遠(yuǎn),傳統(tǒng)的電纜傳輸遇到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i,采用光纜傳輸,可以有效解決此問(wèn)題。

        2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

        系統(tǒng)硬件組成包括水下電子艙、岸站測(cè)控終端、數(shù)據(jù)傳輸模塊等3部分。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

        1)水下電子艙組成

        水下電子艙集成有傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、采集器、環(huán)境測(cè)量傳感器等幾部分。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

        電場(chǎng)傳感器和磁場(chǎng)傳感器采用三分量測(cè)量方式,通過(guò)信號(hào)調(diào)理,將電磁場(chǎng)信號(hào)分為多個(gè)頻段進(jìn)行采集。采集器分別對(duì)電磁場(chǎng)的直流、交流信號(hào)進(jìn)行采集,再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將原始信號(hào)輸出,利用溫度傳感器、深度傳感器和姿態(tài)傳感器,對(duì)系統(tǒng)布放的環(huán)境參數(shù)及姿態(tài)信息進(jìn)行測(cè)量,將溫度、深度、姿態(tài)的原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出。

        采集器是觀測(cè)系統(tǒng)的核心部件,系統(tǒng)采用NI Compact RIO模塊,主要由控制器 (NI 9014)、機(jī)箱 (NI 9103)和采集板卡 (NI 9234)組成。

        大學(xué)生作為志愿者和基層工作者的實(shí)施主體,在項(xiàng)目中能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)人的價(jià)值追求和人生成長(zhǎng)。自我效能感主要是指自己對(duì)個(gè)體本身能否成功進(jìn)行的某一成就行為的主觀判斷,也是影響個(gè)體自我調(diào)控的關(guān)鍵變量,它反映了當(dāng)前個(gè)體采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)面對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)的理想信念。

        2)岸站測(cè)控終端

        岸站測(cè)控終端包括1臺(tái)計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)供電電源。計(jì)算機(jī)運(yùn)行基于LabVIEW編寫(xiě)的上位機(jī)程序,對(duì)海洋的環(huán)境電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè),并實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放等功能。

        3)數(shù)據(jù)傳輸模塊

        數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由光電復(fù)合纜、光電轉(zhuǎn)換模塊組成。在水下電子艙內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊,將網(wǎng)絡(luò)的電信號(hào),轉(zhuǎn)換為光信號(hào)通過(guò)光電復(fù)合纜,傳輸回岸站測(cè)控終端,再由終端的光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)電信號(hào),通過(guò)網(wǎng)線送入計(jì)算機(jī)內(nèi),實(shí)現(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)的供電,通過(guò)光電復(fù)合纜的電纜進(jìn)行傳輸。

        3 觀測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)應(yīng)用基于NI的LabVIEW8.6.1。采用模塊化設(shè)計(jì),利于軟件的更新、功能擴(kuò)展等。軟件主要完成以下功能:

        1)數(shù)據(jù)采集功能,包括電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、深度數(shù)據(jù)的采集等。

        2)系統(tǒng)控制,包括系統(tǒng)采集控制,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制,采樣率設(shè)置等。

        3)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控,包括系統(tǒng)的姿態(tài)信息、通訊狀態(tài)等。

        程序設(shè)計(jì)的架構(gòu),基于NI硬件完成,主要包括FPGA內(nèi)的驅(qū)動(dòng)程序、控制器內(nèi)的下位機(jī)程序及岸站測(cè)控終端計(jì)算機(jī)的上位機(jī)程序等3部分,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的采集與控制功能,如圖3所示。

        圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊示意圖Fig.3 The sketch map of the software system function module

        系統(tǒng)FPGA內(nèi)的硬件驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)NI9234采集卡,通過(guò)下位機(jī)內(nèi)的采集模塊,進(jìn)行系統(tǒng)的采集工作。

        系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí),下位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模塊開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行,等待上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊的握手動(dòng)作,當(dāng)上位機(jī)軟件運(yùn)行并與下位機(jī)握手之后,網(wǎng)絡(luò)建立,利用網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的控制命令與采集信號(hào)、監(jiān)控信息等數(shù)據(jù)。

        當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后,下位機(jī)采集模塊通過(guò)接收上位機(jī)的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。

        控制模塊實(shí)時(shí)發(fā)送系統(tǒng)的控制命令,控制命令包括采集的開(kāi)始、停止,系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài),下位機(jī)重啟,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),程序退出等。

        當(dāng)控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為采集狀態(tài)時(shí),下位機(jī)開(kāi)始采集數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)時(shí)接收到下位機(jī)采集的數(shù)據(jù),進(jìn)行顯示,通過(guò)存儲(chǔ)控制開(kāi)關(guān),選擇對(duì)環(huán)境信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)或者記錄的工作狀態(tài)。

        在控制模塊設(shè)置系統(tǒng)為監(jiān)控狀態(tài)時(shí),狀態(tài)監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)獲取下位機(jī)的姿態(tài)、水深等信息,并進(jìn)行顯示。

        具體程序流程圖如圖4所示。

        圖4 程序流程圖Fig.4 The flow chart of program

        4 結(jié)語(yǔ)

        海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng),采用虛擬儀器測(cè)試技術(shù),基于LabVIEW軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),系統(tǒng)功能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,并在試驗(yàn)海區(qū)內(nèi)進(jìn)行了1年左右的海洋環(huán)境電磁場(chǎng)的觀測(cè),獲取了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步的海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)特性研究提供了參考。

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