基于NI CompactRIO和LabVIEW的海洋環境多物理場測量系統

一、引言 　　
近些年來，隨著人類對于海洋開發力度的增加，關于海洋方面的研究越來越廣泛深入。相應地，海洋中各種環境物理場也成為了研究關注的焦點。因為對于海洋環境物理場的了解，意味著人們可以更加熟悉海洋，利用其環境物理場的變化規律，使我們在海洋地質勘測、地震預警、海洋捕撈、石油勘探等領域，更加的方便、有效。
　　
而隨著海洋物理場水下物理場測量測試需求的增加，傳統的測試手段已經無法滿足現在的測量需要，繁多的各物理場采集系統硬件設備測量靈活性差，系統的安全性和可靠性低的缺點，已嚴重限制了在需要多個環境物理場同時進行測量中的應用。因此，對于一個小型化、智能化、布放便捷的海洋環境物理場測量系統的研究開發已經成為必需。
　　
二、硬件系統介紹：
　　
1．系統總體設計思想：
　　本系統是基于海洋中多個環境物理場的綜合測量方法。海洋環境物理場包括多種物理環境，有傳統的聲、以及近些年來逐漸引入的磁、電、水壓，甚至于剛剛引起關注的光、熒光、地震波，各個物理場均有其特有的特性，這讓現有的水下物理場采集系統越來越無法滿足測量的需要；對于海洋的環境物理場，單點的測量系統所獲取的數據已經無法滿足對于海洋環境物理場測量與分析的需求，而通過水下測量陣的多點探測，可以搜集到測量海域內大量的海洋環境物理場數據，為研究人員準確的確定物理場的參數提供了方便。
同時，為了預測海洋環境物理場的變化趨勢，一個能夠長期在水下工作的測量系統也是必須的。對于本系統的設計，需要一個多點采集陣列，通過岸上的PC機，對水下的各個采集點進行控制，各個采集點將采集到的數據通過光纖傳送到岸上，進行顯示和處理，基于以上幾點考慮以及根據海上作業的特殊需要，我們對于本套系統提出的要求是：
　　
（1）智能化：靈活多樣的測量方式，因為水下的多種物理場，其對采樣率、采樣精度的要求不同；快捷、方便的采集軟件，利于程序員調試、測量人員操作；

（2）小型化：為了方便海上實測、布放的需要，以及對于水密艙的設計需要，小型的采集系統將是我們的首選。

（3）系統的安全、穩定性：系統可以長期、穩定的進行數據采集工作，這就要求系統水密性高，在海上要適應不同的溫度條件，耐水流沖擊以及布放時的沖撞，同時，長期工作時的功耗低，散熱性好，能夠保證系統的穩定工作。

綜上考慮，在對多個采集系統進行綜合比較分析之后，我們選擇了NI公司的NI CompactRIO控制和采集系統。該系統是一種小巧而堅固的工業化控制和采集系統，采用可重新配置I/O (reconfigurable I/O，縮寫為RIO) FPGA技術實現超高性能和可自定義功能。NI CompactRIO包含一個實時控制器與可重新配置的FPGA芯片，適用于可靠的獨立嵌入式或分布式應用系統；其多樣的熱插拔工業I/O模塊，內置可直接和傳感器/調節器連接的信號調理，均符合大多數海洋環境物理場測量的需要；優良的抗震耐溫性能超越了老式的采集系統，保證了測試的可靠性與安全性；小巧的外形，使得系統的體積大大減少，方便了研究人員的海上布放與測量工作；較低的功耗，也使得系統工作的穩定性增強；同時，NI公司的LabVIEW和LabVIEW RT 模塊、LabVIEW FPGA模塊提供了良好的圖形化開發環境，利用LabVIEW軟件，可以快捷的設置NI cRIO采集模塊的采集屬性；對于整個水下測量系統，可以利用NI cRIO系統集成的接口設備以及便捷的軟件設置，將水下各個測量點方便的集成在一起，并通過網絡，和岸上工作站相連。
　　
2．硬件簡介
　　
2.1 NI cRIO-9004特性指標：
　　
配置有一個串口和10/100M自適應以太網接口，由此和其他設備及PC機連接；工作電壓范圍在11到30V之間，當有8個采集通道同時工作的情況下，功耗只有24W；有512M的存儲空間以及64M的DRAM；LabVIEW RT操作系統。
　　
2.2 NI cRIO-9103特性指標：
　　
4個模塊插槽；3百萬門可再配置FPGA系統；196KB RAM；
　　
2.3 cRIO-9233特性指標：

通道數………4個模擬輸入通道
A/D轉換精度……………24 bits
數據采樣率…………2K/s～50K/s
時鐘頻率… …………12.8MHz

3．單個水下采集模塊硬件系統架構
　　在多個水下物理場進行測量時，對每個物理場的采樣要求并不相同，對于交變物理場，可以利用NI cRIO-9233采集器設置采樣率來采集，采樣率要求最高達到10K，而對于直流信號，系統中利用單片機，將信號采集進來，通過NI cRIO-9004控制器的串口，將數據傳給上位機，進行顯示和保存。
　　
海洋環境多物理場測量陣如圖1所示。
　　

　　圖1 海洋環境多物理場測量陣
　　
對于水下測量系統來說，系統的布放是測量的一個重要組成部分，系統布放的成功與否直接影響了測量結果以及后期的數據分析與處理，系統在水下的姿態、位置正確，是我們進行數據采集的保證。為此，我們在系統中集成了姿態儀，通過它們掌握測量系統在水下的位置以及姿態信息，姿態信息同直流信號共用一個單片機來進行采集控制，而數據利用串口通過單片機傳送給NI cRIO-9004，并通過網絡傳送到上位機的顯控界面。
　　
單個水下采集模塊硬件系統架構如圖2所示：
　
　
　　圖2 采集系統框架圖