髙業(yè)欣，燕 云，趙龍梅，朱葉林，趙 雷（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

基于Labview平臺LDAWYZ-1型水位儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

髙業(yè)欣，燕 云，趙龍梅，朱葉林，趙 雷
（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

介紹了LDAWYZ-1型水位儀軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，闡述了設(shè)計(jì)思路、各功能模塊具體實(shí)現(xiàn)方法，并介紹了基于G語言的Labview編程平臺及其在地震系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用。

Labview；聲卡采集；網(wǎng)絡(luò)通信

0 引言

水位測量作為前兆分析手段之一，近年來受到更多的關(guān)注，涌現(xiàn)出大批水位測量儀器，但多數(shù)水位測量儀器都通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測量、存儲與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，這些儀器能夠提供較好的測量結(jié)果，但由于測量信號多數(shù)采取電壓電流傳輸方式，受到傳輸線長度制約，另外程序的冗長，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)等現(xiàn)象[1]。本文中LDAWYZ-1型水位儀內(nèi)部采用電流-頻率變換電路，直接由聲卡采集頻率信息，借助Labview平臺，各功能模塊完全多線程獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，較好地避免了上述問題的發(fā)生[2]。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

LDAWYZ-1型水位儀軟件系統(tǒng)采用Tab控件分頁顯示，實(shí)現(xiàn)與三個交互體（人機(jī)界面、硬盤存儲、中國前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）四大功能：水位采集記錄與顯示、用戶設(shè)置、數(shù)據(jù)重繪、網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示，系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 The system frame

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 The main page of the system

軟件第一Tab分表格和曲線兩種方式顯示實(shí)時測量數(shù)據(jù)，表格便于數(shù)據(jù)記錄，曲線直觀顯示數(shù)據(jù)變化趨勢。第二Tab為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，用于顯示和更改系統(tǒng)參數(shù)。第三Tab為數(shù)據(jù)繪制，為用戶提供繪圖分析功能，可以對任一天的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行重繪截取分析。

2 功能模塊實(shí)現(xiàn)方法

儀器開機(jī)自動啟動系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)初始化后，通過水位采集記錄模塊、用戶設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)重繪模塊、網(wǎng)絡(luò)通信四個模塊實(shí)現(xiàn)水位測量與記錄、響應(yīng)用戶主機(jī)請求主線程、實(shí)現(xiàn)對水位的實(shí)時監(jiān)測與水位曲線繪制顯示，偵聽前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)訪問請求、與前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與上傳備份，根據(jù)用戶請求對主機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試與修改。

軟件啟動后，調(diào)用系統(tǒng)主程序，主程序首先從默認(rèn)地址讀取系統(tǒng)的配置參數(shù)文件，根據(jù)讀取的參數(shù)（臺站代碼、儀器代碼、測項(xiàng)代碼、投放深度、校正因子、頻率上下限等）進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后同時開啟水位采集記錄顯示、用戶設(shè)置、數(shù)據(jù)重繪、網(wǎng)絡(luò)通信四個線程，直到收到用戶關(guān)閉請求，系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

圖3 程序主框圖Fig.3 The flow chart of main program

2.1 水位采集記錄顯示模塊

該模塊對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行秒采樣，并對所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，更加直觀清晰地顯示水位的變化趨勢，以分鐘為間隔在數(shù)值表顯示水位值，并將水位分鐘數(shù)據(jù)記錄到指定格式的數(shù)據(jù)文件中。

模塊流程圖如圖4所示。具體實(shí)現(xiàn)方案：LDAW YZ-1型水位儀主機(jī)內(nèi)部采用電流-頻率變換電路，水位信息經(jīng)傳感器、中央處理器轉(zhuǎn)換成頻率信息送入聲卡，軟件從聲卡采集頻率信息，經(jīng)系統(tǒng)反運(yùn)算轉(zhuǎn)換回水位信息用于實(shí)時顯示，并將數(shù)據(jù)傳給表格顯示與曲線顯示模塊進(jìn)行直觀顯示和記錄。系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)為txt文檔格式，每天一個文件，系統(tǒng)在每日零點(diǎn)創(chuàng)建當(dāng)日獨(dú)立數(shù)據(jù)文件，并以日期為分辨名稱，以固定格式進(jìn)行命名，數(shù)據(jù)文件以分鐘為采樣率，每分鐘寫入測量數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示數(shù)據(jù)采樣率為1個/秒。系統(tǒng)在每日零點(diǎn)建立數(shù)據(jù)日志文件，每逢整分通過讀寫日志文件的方式，將水位分鐘值寫入日志文件[4]。

圖4 水位采集記錄顯示程序流程圖Fig.4 The flow chart for collecting and recording

圖5 用戶設(shè)置配置信息程序流程圖Fig.5 The flow chart for user setting

2.2 用戶設(shè)置模塊

該模塊響應(yīng)用戶對儀器參數(shù)以及臺站參數(shù)的修改請求。用戶按下設(shè)置鍵后，可以對臺站代碼、儀器代碼、測項(xiàng)代碼、投放深度、校正因子、頻率上下限等信息進(jìn)行更改調(diào)試。

模塊流程圖如圖5所示。具體實(shí)現(xiàn)方案：系統(tǒng)參數(shù)的更改通過對配置文件的讀寫完成，程序先調(diào)取指定路徑下的系統(tǒng)配置文件，通過讀寫程序讀取配置文件，并將系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行解析，將解析后的系統(tǒng)參數(shù)顯示，用戶根據(jù)自己的需求在設(shè)置Tab編輯框內(nèi)對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改，確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入信息，通過文件讀寫程序改寫和更新參數(shù)顯示及配置文件，并在改寫后調(diào)用系統(tǒng)初始化程序，重新讀取系統(tǒng)新的配置參數(shù)[5]。

2.3 數(shù)據(jù)重繪模塊

該模塊用戶可以根據(jù)波形圖控件對所有主機(jī)上的記錄文件進(jìn)行重繪，在波形圖上可以對波形進(jìn)行截取、單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析等操作，供用戶分析處理。

程序流程圖如圖6所示。具體實(shí)現(xiàn)方案：彈出用戶選擇對話框供用戶選擇所需重繪的數(shù)據(jù)文件，將用戶選擇文件解析成一個以時間和數(shù)值為列的二維數(shù)組，將時間和數(shù)值列分別對應(yīng)了波形圖的X軸和Y軸，并設(shè)置X軸為時間顯示方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新繪制，利用波形圖控件自身的功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)截取、放大操作，供用戶進(jìn)行分析比較[6]。

圖6 數(shù)據(jù)重繪程序流程圖Fig.6 The flow chart for redraw

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

該模塊網(wǎng)絡(luò)通信主要實(shí)現(xiàn)與中國前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動交換，實(shí)現(xiàn)國家臺網(wǎng)中心對儀器及數(shù)據(jù)的訪問與備份，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完全遵照《地震前兆臺網(wǎng)專用設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信》協(xié)議，實(shí)現(xiàn)自動上傳數(shù)據(jù)及日志、獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行日志。

程序流程圖如圖7所示。具體實(shí)現(xiàn)方案：通過TCP建立與前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的鏈接，建立鏈接后根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議解析請求內(nèi)容，首先判斷請求類型，再根據(jù)請求內(nèi)容截取字段信息解析請求的時間信息，最后形成命令字符串，搜索相關(guān)數(shù)據(jù)文件，通過對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行讀寫，形成回答字符串，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)端，網(wǎng)絡(luò)端根據(jù)接受內(nèi)容返回應(yīng)答字符串，系統(tǒng)解析應(yīng)答字符串顯示數(shù)據(jù)交換狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信。

3 主要程序代碼

Labview采用簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示的方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便，本系統(tǒng)在Labview平臺完成，主要程序?qū)崿F(xiàn)如下（圖8—11）：

圖7 網(wǎng)絡(luò)通信程序流程圖Fig.7 The flow chart of Network communication

圖8 系統(tǒng)初始化程序圖Fig.8 The code for initializing

初始化模塊通過給定路徑讀取配置文件，對配置文件進(jìn)行段解析，分別通過讀取數(shù)字、字符的方式解析控制參數(shù)、生成控制字符串、寫入控制單元四個步驟完成系統(tǒng)的初始化操作，主要使用文件讀寫控件，分類型讀取配置文件信息，并送入各分線程（圖8）。

水位記錄模塊中內(nèi)部程序通過設(shè)置采樣頻率每秒鐘讀取一次聲卡頻率數(shù)據(jù)。每逢整分時，讀取時間字符串，一方面進(jìn)行字符串連接形成文件路徑字符串，給讀寫程序調(diào)去數(shù)據(jù)日志文件，另一方面形成分鐘字符串寫入數(shù)據(jù)文件。所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部換算程序計(jì)算出水位分鐘值，分鐘值形成字符串寫入數(shù)據(jù)文件，并送入顯示模塊傳給表格控件進(jìn)行顯示。系統(tǒng)根據(jù)上述形成的路徑字符串打開數(shù)據(jù)日志文件，將時間字符串及測量數(shù)值字符串寫入文件，完成數(shù)據(jù)記錄（圖9）。

用戶設(shè)置程序模塊程序在系統(tǒng)初始化后，單獨(dú)開啟用戶設(shè)置線程，時時監(jiān)聽用戶請求。當(dāng)用戶發(fā)起請求時，程序根據(jù)當(dāng)前時間信息，生成數(shù)據(jù)日志文件路徑字符串，通過讀寫控件打開配置文件進(jìn)行顯示，當(dāng)系統(tǒng)收到設(shè)置命令時，根據(jù)用戶設(shè)置修改，生成配置字符串，重新寫入配置文件，更新配置文件參數(shù)，并調(diào)用系統(tǒng)初始化模塊，使新的用戶參數(shù)生效（圖10）。

網(wǎng)絡(luò)通信程序模塊在系統(tǒng)初始化后，單獨(dú)開啟網(wǎng)絡(luò)通信線程，時時監(jiān)聽客戶端用戶請求，當(dāng)有請求時，首先建立TCP連接，根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，首先發(fā)送身份驗(yàn)證字符串及應(yīng)答，進(jìn)行身份驗(yàn)證，系統(tǒng)身份驗(yàn)證包含在國家數(shù)據(jù)臺網(wǎng)中心備份過的臺站及儀器相關(guān)信息，系統(tǒng)根據(jù)驗(yàn)證信息查找自身儀器的相關(guān)信息后進(jìn)行應(yīng)答，驗(yàn)證成功后即可開始數(shù)據(jù)訪問請求。當(dāng)客戶端有數(shù)據(jù)訪問請求時，系統(tǒng)首先解析用戶數(shù)據(jù)請求類型，確認(rèn)類型后進(jìn)入分類型讀取程序模塊，分類型數(shù)據(jù)讀取模塊，根據(jù)請求內(nèi)容查找請求字符串時間信息，解析請求的類型及時間，讀取相應(yīng)的文件形成回復(fù)字符串，通過網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送應(yīng)答，客戶端根據(jù)系統(tǒng)發(fā)送的應(yīng)答返回字符串，系統(tǒng)再次解析字符串，解析此次數(shù)據(jù)訪問的成功狀態(tài)，完成與中國前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸（圖11）。

圖9 水位記錄程序圖Fig.9 The code for data recording

圖10 用戶設(shè)置程序圖Fig.10 The code for user setting

圖11 網(wǎng)絡(luò)通信程序圖Fig.11 The code for Network communication

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已成功投入LDAWYZ-1型水位儀主機(jī)上使用，通過本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水位信息秒采樣顯示、分鐘采樣記錄、用戶對主機(jī)參數(shù)設(shè)置、對歷史記錄進(jìn)行波形重繪，與中國前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動上傳與設(shè)備狀態(tài)訪問。目前該設(shè)備已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)良好。

Labview平臺可以直接對聲卡頻率進(jìn)行采集，經(jīng)過水位儀使用測試，采樣頻率準(zhǔn)確性非常好，基于該平臺的編程可推廣應(yīng)用到其他地震儀器設(shè)備[3]，由于各線程獨(dú)立工作，能有效避免冗長程序帶來的系統(tǒng)軟件死機(jī)的問題[7]。

[1] 李江全，任玲，廖結(jié)安，等. Labview虛擬儀器從入門到測控應(yīng)用130例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版，2013: 25-100.

[2] 孫宏志, 王學(xué)成, 劉一萌，等. 基于3G無線傳輸?shù)臏y震臺站監(jiān)控設(shè)備的研制[J]. 地震工程學(xué)報(bào)，2014， 02: 387-392.

[3] 雷晨，李秀麗，劉一萌，等. 地震臺站安防報(bào)警系統(tǒng)建設(shè)[J]. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2011, 27（4）: 39-43.

[4] 李秀麗，雷晨，孫宏志， 等. 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中心軟件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2012，28（1）: 32-36.

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[7] 孫宏志, 李秀麗, 雷晨, 等. 測震臺站智能隔離防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 地震工程學(xué)報(bào)，2015，03: 878-883.

The Software System of LDAWYZ - 1 Device Based on Labview

GAO Ye-xin, YAN Yun, ZHAO Long-mei, ZHU Ye-lin, ZHAO Lei
（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

This paper introduces the design and implementation process of LDAWYZ - 1 device’ s software system, it expounds the design thought, each function module implementation method, and the application in seismic data acquisition system of Labview platform based on G language .

Labview; sound card collection; network communication

P315.69

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.015

1674-8565（2017）02-0090-06

2016-12-20

2017-02-09

髙業(yè)欣 （1986-），男，遼寧省撫順市人，2011年畢業(yè)于沈陽航空航天大學(xué)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震儀器研發(fā)方面的工作。