（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

利用水聽(tīng)器基陣接收信號(hào)是水聲學(xué)研究中最常用的手段之一，現(xiàn)在大多數(shù)的水聲試驗(yàn)仍然使用模擬基陣獲取水聲信號(hào)，將多路模擬信號(hào)直接上傳至信號(hào)接收端。這就涉及到多路模擬信號(hào)的同步采集問(wèn)題。本文基于LabVIEW語(yǔ)言和Compact RIO 硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采集，采集到的信號(hào)可以在Compact RIO 的FPGA 模塊上直接進(jìn)行信號(hào)處理，解決了普通采集卡只能在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理的問(wèn)題，大大提高了程序運(yùn)行的速度。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括PC 機(jī)和Compact RIO。本設(shè)計(jì)利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射信號(hào)，經(jīng)水聽(tīng)器發(fā)送出來(lái)，由于水聽(tīng)器出來(lái)的信號(hào)很小，采集卡不能夠采集，所以在接收端我們加了一個(gè)信號(hào)預(yù)處理器，對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，便于采集卡采集。為了實(shí)時(shí)的采集處理信號(hào)，我們選用CRIO9014編程控制器和NI 9215 采集卡，其分辨率為16位，4路差分模擬輸入，最大采樣率為100kS／s。

NI Compact RIO 硬件平臺(tái)是一個(gè)基于FPGA 技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)處理器和一個(gè)可重復(fù)配置I／O FPGA 核的底板。FPGA 芯片是Compact RIO 體系結(jié)構(gòu)的核心，內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、離線處理、數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通信。同時(shí)，利用LabVIEW FPGA 基本的I／O 功能，用戶可以直接訪問(wèn)Compact RIO 平臺(tái)的每個(gè)I／O 模塊的輸入輸出電路。所有的I／O 模塊都包含內(nèi)置的接口，信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路（如ADC或DAC），以及可選的隔離屏蔽，用戶根據(jù)測(cè)試需求可選用不同的I／O 模塊。Compact RIO 實(shí)物如圖2所示。

圖2 Compact RIO 實(shí)物圖

3 信號(hào)采集及處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了信號(hào)采集及處理平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)的周期，同時(shí)又便于程序的可讀性與可維護(hù)性，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了模塊化和結(jié)構(gòu)化編程的基本思路。軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 2011開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用Real-Time和FPGA 工具包，并借助信號(hào)采集及處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、濾波、時(shí)域分析及頻域分析等功能。軟件結(jié)構(gòu)分為兩層：Compact RIO 平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)以及上位PC機(jī)的程序設(shè)計(jì)。

3.1 Compact RIO 平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集與處理是基于Compact RIO 平臺(tái)由Lab-VIEW RT 和LabVIEW FPGA 實(shí)現(xiàn)的。FPGA VI部分程序框圖如圖3所示，While循環(huán)中，采用順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行定時(shí)采集四通道的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)在緩存過(guò)程中，由于是四通道的數(shù)據(jù)采集，為了保證通道之間的數(shù)據(jù)互不影響，使用函數(shù)選板中Build Array函數(shù)建立一維數(shù)組，然后將數(shù)據(jù)依次寫(xiě)入DMA FIFO 緩存區(qū)中。

圖3 FPGA 程序框圖

3.2 上位PC機(jī)主程序設(shè)計(jì)

信號(hào)采集及處理平臺(tái)程序的前面板是與用戶交互的操作面板，因此要求其界面友好、直觀、便于操作。主程序功能模塊由4部分組成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、文件管理以及幫助信息。主程序VI對(duì)各功能子VI動(dòng)態(tài)調(diào)用是基于事件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)點(diǎn)擊界面上各功能模塊按鈕就可以調(diào)用相應(yīng)的功能。

3.3 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)軟件的核心，只有采集到正確的信號(hào)才能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行后續(xù)的處理，Compact RIO 的數(shù)據(jù)采集是利用FPGA 技術(shù)控制采集卡采集信號(hào)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須協(xié)調(diào)同步FPGA 程序和RT 程序，兩者工作采用握手方式，使RT 程序通過(guò)觸發(fā)FPGA 程序相應(yīng)的屬性控制FPGA 程序運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，RT 程序中首先需要配置FIFO 的存儲(chǔ)深度；在FPGA 程序中，主要用到兩個(gè)控件：FPGA I／O Node控件和Write FIFO 控件。FPGA I／O Node控件用來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的操作；Write FIFO 控件是將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO 中，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)PGA 程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)先存儲(chǔ)到FIFO 中，RT 程序再?gòu)腇IFO 中讀取數(shù)據(jù)。通過(guò)FIFO 實(shí)現(xiàn)了FPGA 與RT 的數(shù)據(jù)傳遞。

圖4 RT 程序框圖

3.3.2 數(shù)據(jù)處理與分析模塊

數(shù)據(jù)的處理與分析模塊可以對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域以及時(shí)頻聯(lián)合分析。程序的前面板由Tab控件來(lái)組織，用戶可以點(diǎn)擊不同選項(xiàng)來(lái)查看分析結(jié)果；程序面板由While循環(huán)和Case Structure（選擇結(jié)構(gòu)）組成。其中，時(shí)域分析主要包括時(shí)域波形顯示、特征參數(shù)分析、自相關(guān)分析和互相關(guān)分析；頻域分析包含F(xiàn)FT、功率譜、幅值相位譜等多種分析，用戶可以在列表中選擇。

圖5 數(shù)據(jù)的處理與分析模塊框圖

3.3.3 文件管理模塊

文件管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成原始信號(hào)的記錄，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)回放或后續(xù)處理時(shí)，可以讀取原始信號(hào)記錄文件；在幫助信息模塊中，用戶可以點(diǎn)擊“幫助信息”按鈕獲得使用說(shuō)明和實(shí)時(shí)幫助。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射頻率為10KHz，寬度為10ms的單頻信號(hào)，通過(guò)換能器將信號(hào)發(fā)射出來(lái)，信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理器后傳送至采集卡。本文選擇的是NI CRIO-9014及9215采集卡，可實(shí)現(xiàn)四通道的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集，最大采樣率為100kS／s?；贑ompact RIO 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)四通道的數(shù)據(jù)采集，上位PC通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，四路水聽(tīng)器接收水聲信號(hào)，經(jīng)NI 9215采集卡采集后在CRIO-9014的FPGA 底版上直接進(jìn)行信號(hào)處理，對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、取包絡(luò)、判決大小、測(cè)時(shí)延等一系列處理，得出每路信號(hào)測(cè)得的目標(biāo)聲源的時(shí)延值。用戶還可以通過(guò)點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理與分析模塊中不同選項(xiàng)來(lái)查看時(shí)域、頻域以及其它信息。結(jié)果表明，本文開(kāi)發(fā)的信號(hào)采集及處理平臺(tái)能夠滿足測(cè)試的要求。

圖6 相關(guān)分析顯示面板

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合NI公司的Compact RIO編程控制器及主控計(jì)算機(jī)，建立了一套集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示和信號(hào)實(shí)時(shí)處理于一身的綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獨(dú)立完成水聲陣列信號(hào)的采集和大運(yùn)算量的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，同時(shí)可以通過(guò)波形顯示控件的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)示波器的部分功能。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短、效率高，其可靠性、穩(wěn)定性、測(cè)試精度等方面性能優(yōu)越，并具備良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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