基于LabVIEW的水声信号发生器设计∗

卢育中 曹 亮

（91388部队95分队 湛江 524022）

1 引言

在声传播损失测量试验中，除了用投放爆炸声源作为测量的水声信号外，另外一种方法就是通过吊放发射换能器发射指定声信号来实现测线上的声传播损失测量。第一种方法虽然具有信号带宽宽的优点，但是投放成本高，且污染环境并带来安全隐患，因此在满足需求的条件下采用吊放换能器发射指定声信号的方式更为可行。吊放声源通过信号发生器产生具有特点频率、特定调职方式及脉冲长度的电信号，然后经过匹配网络和功放输出效率，经过发射换能器将电信号转换为水声信号能量辐射到海水介质中。

为满足声传播损失测量需求，发射的声信号复杂多变，信号频率、周期、幅值、制式等都特征多变。为解决此类问题，本文介绍了基于LabVIEW虚拟仪器开发平台利用NI USB-6353板卡控制开发设计的水声信号发生器，能够实现发射换能器功率大小、发射信号形式等参数及使能状态进行控制［2］。

NI公司推出的虚拟仪器平台LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，建立在易于使用的图形数据流编程语言C语言上［1］。该信号发生器基于LabVIEW开发，操作简便，具有良好的交互界面，方便操作使用。

2 系统设计

基于对水声信号的需求，系统不仅能够作为虚拟信号源产生实际所需信号作为声源系统的输入，而且能够实现对发射机发射信号大小、发射信号形式等参数选择及使能控制，其中发射机可选择不同的工作频段，对应于不同发射换能器，信号形式可选择正弦信号、方波信号、三角波信号、线性调频信号等单一和组合多种形式［15～16］。

系统设计流程图如图1所示。

图1 系统设计框架图

3 软件设计及硬件实现

水声信号发生器设计界面可实现发射声源模拟信号时域、频域波形实施显示，利用USB2.0与控制主机连接对NI板卡进行控制，实现对发射功放输入信号的生成进行设置、选择。为防止出现设置信号参数错误，系统设计具有信号实时预览功能，可实时预览生成信号并对实际生成信号进行监视。

3.1 系统硬件组成

系统硬件组成主要由NI公司数据采集卡USB-6353与软件运行主机组成，NI数据板卡生成信号经过信号线输入发射声源功率放大器输入端口。NI USB-6353是基于USB总线的数据采集卡，具有32路BNC模拟输入，4路BNC模拟输出，系统设计考虑NI板卡的即插即用性，采用模拟信号从模拟输出端口“AO0”输出并输入功放输入端。见图2所示。

图2 硬件连接图

3.2 软件设计及实现

软件结构主要考虑功能需求进行设计，包括生成信号检测界面、信号参数设置界面、信号类型选择界面和预览界面构成［11～12］。信号的检测和预览界面是信号发生器的软件主要界面，主要完成信号的类型选择、参数设置等信号生成控制。为提高软件的可操控性，参数设置可自定义设置，也可采用下拉菜单式的选择设置，同时具备“开始∕停止”用于信号的发射控制。

水声信号的参数设置包括信号类型选择、中心频率、周期、幅值等参数设置，为方便现场操作，也可通过读取数据文件进行参数设置，可发射的信号类型包括正弦波、方波、三角波，信号制式可选择单频或调频信号，软件设计框图如下图3所示。

图3 软件设计框图

4 软件测试

软件测试平台主要包括计算机、NI USB-6353、水声声源功率放大器及阻抗匹配网络和发射换能器组等。在实验室条件下采用示波器代替发射换能器组来监视生成信号的形式对信号进行检测，一方面发射换能器组需具备水池条件较难保障，另外输出信号大小需进行检查后方能输入功率放大器端，防止出现功放损坏情况发生。计算机需安装LabVIEW开发平台及NI-DAQmx应用驱动，利用USB2.0数据线将计算机与NI USB 6353相连接，系统上电并启动软件进行测试，上电后会弹出发现NI 6353板卡提示信息，如图4所示。

图4 上电后发现硬件板卡提示信息

软件启动后，需人工输入发射信号的相关参数设置，如参数设置不全，将出现错误提示。

涉及输入限制的情况说明如下：

1）板卡输出端口需进行选择。选择NI 6353板卡上的模拟信号输出端口；

2）信号类型、周期、中心频率、脉宽等选择参数需设置。

为保证系统的正常运行，需正确连接各个硬件部分，如出现如图5所示错误提示，检查各硬件部分是否正常连接。各硬件连接均正常的情况下，通过示波器检测NI板卡输出端口可有效检测出正常的信号输出，如仍存在问题，可能系统执行存在问题，对LabVIEW源程序进行检查修复。

图5 硬件连接故障提示

为检测软件是否正常运行，连接NI及各个相关设备，按照信号设置需求对信号参数进行设置，部分参数为设计时默认设置，可根据实际情况进行修改，为提高实际应用时的快捷性，针对调频信号设置了调用数据文件的设置方式，通过LabVIEW软件调用Matlab生成的调频信号bin文件实现固定中心频率、固定带宽的调频信号的生成，软件操作界面见图4。

信号参数设置后，可点击“开始”按钮实现指定信号的生成，此时按键变亮，发射指示灯高亮状态，在信号预览和监测界面可看到生成波形，生成的模拟信号由NI 6353板卡“AO0”端口输出。

图6 示波器显示生成模拟信号

当软件运行出现死机情况时，先将NI 6353板卡设备断电，再对软件进行相关操作。为保护声源功率放大器，软件启动时，先对生成信号波形通过示波器进行检测，如无异常再接入声源功率放大器，防止生成信号过大造成对功率放大器的损坏。生成模拟信号如图6所示。

5 结语

本文通过基于LabVIEW虚拟仪器开发平台开发设计了一款适用于水声信号发射的信号生成软件，能实现信号类型的选择、频率、周期、幅值等参数设置，具有更好的操作灵活性，人机交互界面友好，可满足声传播试验对水声信号的发射要求，且经济性好，具有较好的应用推广价值。