基于LabVIEW的深海超高压环境模拟平台水声采集系统*

童　刚　韩晓玉　孙小冬

(青岛科技大学自动化与电子工程学院　青岛　266042)



基于LabVIEW的深海超高压环境模拟平台水声采集系统*

童刚韩晓玉孙小冬

(青岛科技大学自动化与电子工程学院青岛266042)

摘要深海超高压环境模拟系统能够有效减少海试失败损失,提高深海设备研发和应用的成功率,水声采集系统为各种设备仪器在高压环境下的抗压性及各项水声检测提供试验手段。该系统在NI PXIe硬件平台下借助于LabVIEW图形化编程语言实现信号的实时测量、频域分析和数据保存,对过限信号进行报警和记录,并可对报警数据进行精确地回调查看。试验表明:该系统性能稳定可靠、开发周期短,能够为深海超高压模拟环境下设备性能测试提供有效的技术支撑。

关键词深海超高压; 水声采集; LabVIEW图形化编程; NI PXIe硬件平台

Class NumberTP312

1　引言

深海探测设备在超高压环境下的模拟实验不仅能够提高海试的成功率,还能有效地降低因深海测试失败带来的巨大经济损失,对深海探测具有重要意义。基于该平台的水声采集系统,通过水听检测能够实时地监测[9]分析试验仪器设备在超高压模拟环境下的各项技术指标性能,并具备实时报警和报警数据回调功能,能够为设备优化改进提供重要参考,是确保设备仪器能在深海环境下安全工作的关键所在。

本文中水声数据采集硬件设备采用美国国家仪器PXIe总线[1]数据采集系统,上位机分为水声实时监控测量模块和报警历史数据回调模块,借助于LabVIEW强大的图形化编程优势开发完成[4,6]。

2　系统总体设计

水声实时监控测量模块通过前端传感器(水听器)采集被测信号,由信号调理模块滤波、放大,将标准信号送给PXI数据采集模块处理,在上位机系统中实时显示测量数据,进行频域分析,并记录报警数据。报警历史数据回调模块作为一个独立的软件模块,以NI嵌入式控制器为载体实现对采集数据的回调功能。一般,该系统由数据采集模块、实时监控测量模块、历史数据回调模块三个主要部分组成,如图1所示。

图1　系统总体设计框图

3　硬件设计

由于试验罐体内需承受近百兆帕的超高压,所以罐体里的测量设备,如深海水听器、信号电缆和连接器,都是经过特殊设计的耐高压部件。信号调理模块将水听器信号放大,输出标准的-10V～+10V电压信号。机箱采用NI PXIe-1065 18槽交流3U PXI Express机箱,该机箱9个PXI插槽、4个混合插槽、3个PXI Express插槽、1个PXI Express系统定时插槽,与PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模块兼容,并且每个插槽具备高达1GB/s的专用带宽和超过3GB/s的系统带宽,完全能够承担水声采集和其它信号采集和控制模块的搭载任务。数据信号由SCB-68屏蔽式I/O接线盒和SHC68-68-EPM 68针屏蔽电缆接引,通过NI PXI-6221 M系列多功能数据采集卡模拟输入端口采集。处理器采用NI PXIe-8108 2.53GHz双核PXI Express嵌入式控制器。

整个硬件系统不仅具有高效稳定的数据采集和处理性能,而且实现了硬件系统模块化、可重组和参数采集可扩展。相对于传统硬件开发,依靠NI PXIe总线系统能够极大地缩短开发周期,节省人力资源,提高开发效率。

4　软件设计

软件设计分为两个部分:模拟深海高压舱监控测量模块和水声数据采集文件回调模块。这两个软件均基于LabVIEW语言编写[7,10],并加载了NI-DAQmx驱动和高级信号处理工具包[2～3]。相对于代码式的编程语言,LabVIEW能够灵活定义前面板仪器功能属性,实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理[5],充分显示了图形化编程语言的优势,大大节省可开发和维护费用。

4.1模拟深海高压舱监控测量模块

该模块通过水听器实时监控测量高压舱内的试验仪器设备,实时显示信号数据和功率谱参数,同时对于超过阈值的信号量进行报警和记录,报警的时间、报警值和次数能够直观地呈现在前面板上,并且具有频谱分析和数据保存功能。

数据采集:该环节采用DAQmx系列子VI搭建,其中DAQmx创建虚拟通道.VI用于获取物理通道,设置输入最大值和最小值,并进行接线端配置。DAQmx定时.VI用于配置采样模式,采样率和每通道采样数。DAQmx通道属性节点.VI设置为直接存储器存数模式,DAQmx读取.VI配置为模拟波形1通道N采样模式。

数据保存:数据以TDMS文件格式进行存储,数据仅一个段首,时间列采用空时间列。为了能够在数据回调时精确定位测量数据,数据将保存在一系列文件中,文件名采用日期和时间为后缀,每分钟保存一个TDMS文件。

频谱分析:利用滤波器.VI设置为带通模式,并将滤波后的信号输入到频谱测量.VI中就能够轻松地实现功率谱分析,并且滤波器的截止频率可调。

数据采集、分析和保存程序框图如图2所示。

报警:报警数据的实时显示在条件结构下以表格的形式完成,报警时间通过获取日期/时间(s).VI获取,同时将当前报警时间以字符串格式存入文本文件,文件名以系统开始的时间命名。报警次数通过在While循环系统添加移位寄存器进行累加。该模块报警显示和记录部分程序框图如图3所示。

4.2水声数据采集文件回调模块

该模块通过打开监控测量模块记录的报警时间数据文档,在前面板显示报警时间序列,如图4所示。单击索要查看的报警时间,该模块将会自动调取该时间下的数据记录文档,其中的测量数据和功率谱分析数据将会显示在前面板上,读取时间宽度设置了显示在前面板上的数据段长度,最大长度60s,读取时间起点定义了该模块读取数据的起点。如果有需要,还可以将文件用TDMS查看器打开以获取更详细的数据信息。同时,该模块还具备截取当前测量信号图片的功能。

图2　数据采集、分析和保存程序框图

图3　报警显示和记录部分程序框图

图4　报警时间路径化部分程序框图

该模块回调文件的思想是通过打开监控测量模块记录的文本文件读取报警时间,通过“电子表格字符串至数组转换.VI”和“索引数组.VI”,转换并获取单个报警时间字符串,如图5所示。例如“2014/11/07 12:44:02”,截取其中的数字字符串将其替换并转化为字符串“20_14-11-07_1244”,然后将监控测量模块存储文件的默认路径字符串,如“C:UsersDZJDocumentsLabVIEW Data”和字符串常量“.tdms”连接并路径化。这样“TDMS打开子.VI”便得到了“C:UsersDZJDocumentsLabVIEW Data20_14-11-07_1244.tdms”的路径,而该路径便是当前时间下监控测量模块存储文件的默认路径。

图5　报警文件读取程序框图

5　系统测试

将设备接线组装完毕后上电,在上位机中打开“模拟深海高压舱监控测量系统”,通道设置在相应的数据采集板卡模拟输入端,采样频率200KHz,选择是否保存数据,设置报警阈值,点击运行。系统将实时显示带通滤波后的水听器载波信号和频域分析信号,当水中有振动产生时,信号会被即时监测到,超过报警阈值的信号量会被记录下来。实时测量系统前面板图如图6所示。

图6　实时测量系统前面板图

打开数据回调系统,找到以时间命名的记录报警时间的txt文档路径,运行系统,所有报警时间记录将被罗列在前面板上,点击某一报警时间,该时间下60s的数据会被抽调出来,并能方便地找到某时间点报警数据。数据回调系统前面板图如图7所示。

图7　数据回调系统前面板图

6　结语

该水声采集系统作为深海超高压环境模拟系统的检测手段,能够在仪器设备海试前检测其抗压性能,获取准确的性能参数,极大地降低了因海试失败带来的经济损失[8]。该系统在NI PXIe总线硬件平台下具有较高的系统稳定性,且LabVIEW图形化编程试验证明该系统具备较高的水声检测灵敏度和数据分析功能,能够有效提高深海仪器设备研发及应用的成功率。

参 考 文 献

[1] LabVIEW-based control and data acquisition system for cathodoluminescence experiments. Bok, J. Schauer, P[J]. Review of Scientific Instruments,2011,82(11):109-113

[2] 杨忠仁,饶程,邹建,等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报(自然科学版),2004,27(2):32-35.

YANG Zhongren, RAO Cheng, ZOU Jian, et al. The Data Acquisition System Based on the LabVIEW[J]. Journal of Chongqing University(Natural Science Edition),2004,27(2):32-35.

[3] Maurizio Di Paolo Emilio, Software for Data Acquisition Systems[M]. New York: Springer,2013:115-121.

[4] 宗荣芳,田锦明.基于LabVIEW的海洋环境弱信号检测系统[J].仪表技术与传器,2013(11):35-37.

ZONG Rongfang, TIAN Jinming. The Marine Environment of Weak Signal Detection System based on LabVIEW[J]. Instrument Technique and Sensor,2013(11):35-37.

[5] 陈东升,许肖梅,李雪丁,等.基于LabVIEW虚拟仪器技术的海洋环境监测数据采集与处理系统[J].海洋技术,2007,26(1):16-19.

CHEN Dongsheng, XU Xiaomei, LI Xueding, et al. The Marine Environmental Monitoring Data Acquisition and Processing System Based on the LabVIEW Virtual Instrument Technology[J]. Marine Technology,2007,26(1):16-19.

[6] 郝丽,赵伟.MAX、DAQ助手及DAQmx VI之间的逻辑关系[J].实验室研究与探索,2012,31(6):82-85.

HAO Li, ZHAO Wei. MAX, the DAQ Assistant and the Logical Relationship between DAQmx VI[J]. Laboratory Research and Exploration,2012,31(6):82-85.

[7] 齐羽.基于LabVIEW的嵌入式系统实验平台设计与实现[J].实验技术与管理,2011(11):50-56.

QI Yu. Design and Implementation of Embedded System Experimental Platform Based on the LabVIEW[J]. The Experiment Technology and Management,2011(11):50-56.

[8] 刘保华,杨磊,丁忠军,等.基于AHP方法的深海低温环境物理模拟系统方案优选分析[J].海洋技术,2013(2):6-10.

LIU Baohua, YANG Lei, DING Zhongjun, et al. Deep Cryogenic Environment Physical Simulation System based on AHP Method Plan Optimization Analysis[J]. Marine Technology,2013(2):6-10.

[9] 敬伟,刘卫新.一种处理实时监控系统数据的方法[J].自动化仪表,2004(4):30-32.

JING Wei, LIU Weixin. A Method of Processing Data of Real-time Monitoring and Control System[J]. Automation Instrument,2004(4):30-32.

[10] 沈保山,姬长英,郭玉平,等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].机械与电子,2009(4):76-78.

SHEN Baoshan, JI Changying, GUO Yuping, et al. The Design of Data Acquisition System based on the LabVIEW[J]. Mechanical and Electronic,2009(4):76-78.

收稿日期:2015年10月8日,修回日期:2015年11月24日

作者简介:童刚,男,博士,教授,研究方向:检测技术与自动化装置,数字图像处理。韩晓玉,女,硕士研究生,研究方向:图像处理与模式识别。孙小冬,男,硕士研究生,研究方向:图像处理与模式识别。

中图分类号TP312

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.023

Deep Sea Ultrahigh Pressure Environment Simulation Platform Sound Acquisition System Based on the LabVIEW

TONG GangHAN XiaoyuSUN Xiaodong

(Automation and Electronic Engineering Institute, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao266042)

AbstractThe abyssal ultrahigh voltage environmental simulation system can decrease the loss of sea trial, improve the success rate of the research and application of deepsea equipment. The water sount acquisition system can supply all kinds of equipment testing technology to do compressive property detection and the underwater acoustic detection in the hyperbaric environment. Using LabVIEW grphical programming language from NI PXle hareware platform, this system can achieve data real time measurement, frequency-domain analysis and data storage. The off key data can be recorded and examined accurately. The experiment led up to the fact that this system is stable and reliable, which can provide an effective technical support for chnical characteristis test in abyssal ultrahigh voltage anolog environment.

Key Wordsabyssal ultrahigh voltage, water sount acquisition system, LabVIEW grphical programming, NI PXle hareware platform