基于LabVIEW的自升沉式潛標模擬測試系統(tǒng)設計

陳宗喜，張喜驗，綦聲波，郭安剛

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島266100；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266001)

基于LabVIEW的自升沉式潛標模擬測試系統(tǒng)設計

陳宗喜1，張喜驗2，綦聲波1，郭安剛1

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島266100；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266001)

自升沉式潛標正式布放使用前應進行大量的測試試驗工作。為了能夠在岸邊或?qū)嶒炇覍摌说母黜椥阅苓M行驗證和調(diào)試工作，開發(fā)了基于LabVIEW的潛標模擬測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用虛擬儀器的特點，采用模塊化編程技術(shù)，利用軟件模擬潛標在水下的各種運動狀態(tài)及傳感器感應的測量參數(shù)變化，或通過對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的回放查找分析潛標系統(tǒng)本身存在的缺陷，實現(xiàn)潛標不下水或少下水就可以進行全面測試的目的。實驗結(jié)果表明，利用模擬測試系統(tǒng)可以進行固定值、極值和連續(xù)變化值模擬，能夠縮短設備開發(fā)周期，優(yōu)化系統(tǒng)控制方案，對提高產(chǎn)品質(zhì)量具有非常重要的作用。

LabVIEW；模擬測試；模塊化編程；自升沉式潛標

自升沉式潛標是一種在水下測量水文動力參數(shù)的新型海洋監(jiān)測設備，既具有錨泊潛標可長期獲得定點連續(xù)觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)點,又具有漂流式剖面測量潛標可自動升沉測量剖面數(shù)據(jù)的優(yōu)點,而且隱蔽性好、安全性高、結(jié)構(gòu)簡單、布放回收簡便[1-2]。潛標上可搭載ADCP、CTD、傾斜度等多種傳感器，通過安裝在標體內(nèi)的電機牽引系統(tǒng)收放鋼纜以及本身的浮力實現(xiàn)上浮下潛運動，并在上升過程中完成相關(guān)測量任務。自升沉式潛標布放后完全工作在水下，其工作狀態(tài)在水面上無法進行有效觀察,下水后一旦出現(xiàn)問題將無法及時發(fā)現(xiàn)并排除,并可能導致整個測量工作失敗，在測試實驗過程中也將消耗大量的人力物力，延長研發(fā)周期[3]。通過開發(fā)實驗室潛標模擬測試系統(tǒng)，可以模擬實際海洋環(huán)境參數(shù)的變化范圍和方式以及潛標的姿態(tài)，達到縮短開發(fā)周期[4]，優(yōu)化功能和提高質(zhì)量的目的。

文獻[1]設計了一款海洋要素多通道實時采集系統(tǒng)，提出了一套高度自動化模塊化的綜合實時觀測系統(tǒng)，將多個不同功能的水文氣象傳感器有機組合，完成海洋要素的監(jiān)控和采集工作。但其基于VB編寫，對于復雜系統(tǒng)和初學者來說難度頗大。而LabVIEW直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結(jié)合，是構(gòu)建虛擬儀器的理想工具，是專門為工程師和科學家設計的直觀圖形化編程語言[5]。不僅能夠?qū)⒎爆崗碗s的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠大大節(jié)省程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出極高的效率。

本文探討了一種基于LabVIEW編寫的模擬測試系統(tǒng)，能夠以設定的周期點數(shù)和采樣間隔來采集模擬變化范圍內(nèi)的任意數(shù)值，并使某些參數(shù)按照實際環(huán)境中的相互關(guān)系變化，在潛標系統(tǒng)不入水的情況下，模擬整個潛標的工作過程。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，充分體現(xiàn)用戶的維護性要求，同時便于功能的拓展，使之適應未來發(fā)展的需要。經(jīng)過驗證，本系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需要，模擬不同的海洋環(huán)境監(jiān)測設備和儀器，體現(xiàn)多元化的海洋環(huán)境研究的價值和能力。通過本系統(tǒng)提供的模擬數(shù)據(jù)來檢驗控制方案的合理性，以此修正和完善控制器算法。

1 潛標模擬測試系統(tǒng)總體設計

實際控制系統(tǒng)由控制器、多普勒聲學剖面海流傳感器（ADCP1、ADCP2）、溫鹽深傳感器（CTD）、傾斜角傳感器和電機組成。其中ADCP1安裝在潛標上端，用來測量海面波高和波向，ADCP2安裝在潛標底部，測量剖面海流的流速和流向。CTD用來測量海水的溫度、鹽度和深度。傾斜角傳感器用于潛標姿態(tài)的測量，以便在潛標回收后能夠進行潛標的姿態(tài)反演。利用潛標系統(tǒng)來獲取水下不同層面上的長期連續(xù)的海流、溫度等海洋水文資料,對于海洋環(huán)境觀測具有十分重要的作用。

本模擬系統(tǒng)要模擬潛標中電機拖動系統(tǒng)、潛標運動姿態(tài)和各傳感器的測量參數(shù)，其中ADCP、傾角傳感器、CTD和電機都是串口量；又考慮到現(xiàn)場的調(diào)試方便，所以使用USB-232/4來與控制器連接，如圖1所示。

模擬測試系統(tǒng)用兩個NI公司的USB-232/4來與控制器連接。該設備一個USB轉(zhuǎn)為4個串口，兩個USB口即可控制全部儀器，備用的串口用于以后擴展系統(tǒng)。使用該設備可以方便地進行現(xiàn)場調(diào)試，更為重要的是該設備和LabVIEW軟件都是NI公司產(chǎn)品，能實現(xiàn)軟硬件間無縫連接，保證可靠性。

圖1 模擬測試系統(tǒng)總體設計

USB-232/4的USB端接模擬測試程序所在的計算機，5個串口接控制器對應的串口接收端，根據(jù)實際系統(tǒng)的控制要求，一方面模擬測試系統(tǒng)同步模擬各傳感器工作時序和采集數(shù)據(jù)，另一方面控制器按時序調(diào)取模擬測試系統(tǒng)模擬的各個傳感器的數(shù)據(jù)，并對模擬的數(shù)據(jù)分析驗證來判斷控制系統(tǒng)的合理性。

2 軟件設計

本模擬測試系統(tǒng)不僅能夠單獨模擬各個傳感器和電機的工作時序和參數(shù)變化過程，而且可以整體模擬某時刻全部傳感器工作情況。傳感器參數(shù)可設置為單值，也可根據(jù)用戶的設置算法輸出，例如正弦波變化，還可設置變化幅度和變化周期。

為優(yōu)化整體設計流程，易于其他人員維護，本系統(tǒng)將ADCP、CTD等傳感器獨立設計，在各自完成相應的功能基礎(chǔ)上有機結(jié)合為整體。各傳感器本身亦為模塊化設計：電源檢測、串口初始化等均為獨立模塊。

2.1 總體架構(gòu)

為使模擬傳感器更能逼近實際傳感器，系統(tǒng)應當模擬完成前置機與傳感器交互的每一步，例如傳感器上電檢測，串口初始化等，如圖2所示。

2.2 子模塊設計

2.2.1 電源檢測模塊

串口型傳感器是用電源來控制其通斷的。接通電源則模擬傳感器開始工作；斷開電源則傳感器停止工作。

2.2.2 延遲單元模塊

由于在通電后傳感器的CPU不能立即工作，而是有一定的啟動時間，因此模擬傳感器在通電后需加上延時環(huán)節(jié)，使它更能逼真地模擬真實傳感器的特性。

圖2 模擬測試系統(tǒng)整體程序流程圖

2.2.3 串口初始化模塊

串口量模擬傳感器用串口通信，模擬傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)前應完成串口通信的基本設置及其他準備工作，準備工作的內(nèi)容隨傳感器的不同而不同,潛標項目中的傳感器均為串口量通信，波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位均相同，因NI公司的USB-232/4在計算機中映射出4個串口，傳感器的COM口與其匹配才能正確通信，因此，將這4個不同的串口號分配給各模擬傳感器的COM端口，如圖3所示。

圖3 ADCP串口初始化程序圖

2.2.4 命令識別與參數(shù)回復模塊

LabVIEW模擬傳感器接收到上位機發(fā)送的命令時，模擬傳感器先識別出這條命令，然后將模擬數(shù)據(jù)以字符串形式組合發(fā)送給控制器。每種實際傳感器都有數(shù)十條控制命令，實際使用時采用部分命令就能完成工作。因此程序中只編寫部分控制器和傳感器間交互的命令參數(shù)即可滿足控制要求如圖4所示。

2.2.5 參數(shù)變化方式模塊

每種模擬傳感器都有兩種工作模式：單值和正弦波方式。單值方式是指給定的物理值不變來檢測系統(tǒng)是否穩(wěn)定。正弦波方式是指參數(shù)隨時間按正弦波方式變化，來模擬真實環(huán)境中的參數(shù)變化。物理值以Y=Asin(ωt+θ)+B正弦波變化。不同傳感器的A，B的值不同，A和B的值由以下公式給出：A=(Ymax-Ymin)/2，B=(Ymax+Ymin)/2，Ymax為待測參數(shù)上限，Ymin為待測參數(shù)下限。待測參數(shù)以真實環(huán)境中變化范圍和傳感器的測量范圍來設計其上下限。不同傳感器的Ymax和Ymin值不同，Ymax與Ymin之差為傳感器的測量范圍,例如CTD的溫度測量范圍為-5～35℃，如圖5所示。

圖4 LabVIEW程序示意圖

2.2.6 串口通信驅(qū)動模塊

串口通信驅(qū)動為模擬系統(tǒng)的核心部分，主要包括兩方面的內(nèi)容：獲取字符串和發(fā)送字符串。用NI公司的VISA模塊來實現(xiàn)，其內(nèi)部用與串口通信相關(guān)的底層程序編寫，能驅(qū)動串口發(fā)送與接收信息。

圖5 正弦波變化方式程序示意圖

串口通信驅(qū)動部分首先將“命令識別與參數(shù)回復”環(huán)節(jié)發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合傳感器串口通信協(xié)議的字符串，其次響應控制器發(fā)送的控制命令，將字符串發(fā)送給控制器。不同種類傳感器的通信協(xié)議不同，因此各個模擬傳感器的驅(qū)動部分應按模塊分別編寫。其中，ADCP模擬傳感器需測量波浪和海流兩種參數(shù)，用到兩個ADCP，它們的程序亦按模塊編寫[6]，如圖6所示。

圖6 ADCP模擬傳感器程序示意圖

2.3 人機界面

本模擬測試系統(tǒng)利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)進行可視化編程，畫面均衡且美觀，功能設置靈活，可分離可組合，充分發(fā)揮圖形化編程的特色。既考慮到了當前傳感器使用情況，又為未來的傳感器擴展留有充分的空間，如圖7所示。

圖7 CTD模擬傳感器模塊工作面板

不同海域的實際情況如水深、浪流等有所不同，潛標按照控制要求在不同水域上升和下潛過程中的速度不同，這將導致ADCP測量流速、流向和波浪時的駐留點位置和個數(shù)有所差異。對此，將參數(shù)設計為正弦波方式變化，依照駐留點位置和個數(shù)等設置周期點數(shù)和采樣間隔，使模擬測試系統(tǒng)能夠模擬任意時刻和任意深度的參數(shù)值，從而能夠模擬不同海域中真實系統(tǒng)的工作情況。

參數(shù)以正弦波和單值兩種方式變化，不僅便于調(diào)試，而且使模擬結(jié)果更加逼真實際環(huán)境。通過把溫度、鹽度和深度設計成帶數(shù)字顯示的垂直條形式，用戶不僅可以知道當前的模擬參數(shù)值，而且還能通過垂直條的上升下降來直觀地了解當前的采樣速度和數(shù)據(jù)變化趨勢。將3種參數(shù)整合在一個波形圖中便于觀察曲線變化，分析當前模擬系統(tǒng)工作狀態(tài)和溫鹽深的相對關(guān)系。

3 實驗及結(jié)果分析

為驗證程序的可靠性，系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)記錄和回放功能。從大量的模擬數(shù)據(jù)中抽取某時刻的ADCP實驗數(shù)據(jù)。對比LabVIEW中記錄的收發(fā)數(shù)據(jù)（圖8）和控制器收到的數(shù)據(jù)（表1）來驗證模擬測試系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的合理性和控制系統(tǒng)中控制算法的正確性。

首先，給定模擬系統(tǒng)采樣周期為60 s，采樣間隔為3 s,以正弦波方式輸出連續(xù)變化數(shù)值。其次，根據(jù)實際控制要求，潛標上浮到一定深度開始測量數(shù)據(jù)，控制器對模擬測試系統(tǒng)發(fā)送查看數(shù)據(jù)命令“st”，模擬傳感器中的ADCP模塊接收到此命令，并依照“命令識別與參數(shù)回復模塊”中“st”選項下設定的數(shù)據(jù)組合方式，回復“參數(shù)變化方式模塊”模擬的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為十六進制格式。再通過“串口驅(qū)動模塊”將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器將十六進制數(shù)據(jù)解析為十進制，并由內(nèi)部算法判斷收到數(shù)據(jù)是否合理，將解析出的分流速合成再和模擬的數(shù)據(jù)比較，以此驗證控制系統(tǒng)的正確性和精確性。數(shù)據(jù)格式如圖8所示，模擬10層數(shù)據(jù)，第1層流速為3.346 m/s，流向為300.4°，以下依次類推。最后一行為時間等參數(shù)。表1為控制器收到的模擬系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制器解析出的流向數(shù)據(jù)精確到個位數(shù)，所以只取模擬數(shù)據(jù)中的整數(shù)部分。

圖8 LabVIEW模擬的ADCP數(shù)據(jù)

表1 控制器收到的流速流向數(shù)據(jù)

通過模擬各個傳感器在水下的工作時序,利用與控制器交互實驗中獲得的實驗數(shù)據(jù)，以此分析數(shù)據(jù)的合理性，找出控制系統(tǒng)的不足之處，從而改進控制方案。模擬測試系統(tǒng)很好地解決了潛標入水前控制器的工作時序和如何控制各傳感器協(xié)調(diào)工作等關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)可以方便地通過編程來模擬其他傳感器，還可以用于具有相同傳感器的不同項目中，因此具有較強擴展功能和通用性。

4 結(jié)束語

自升沉潛標模擬測試系統(tǒng)充分利用了虛擬儀器開放式和模塊化的特點，充分體現(xiàn)用戶的維護性要求，有效地應用潛標項目各個階段：開發(fā)前期，可以輔助硬件系統(tǒng)的調(diào)試；開發(fā)中期，通過模擬傳感器數(shù)據(jù)及電機的數(shù)據(jù)，可以檢查和驗證程序分模塊設計的正確性，是一種有效的調(diào)試開發(fā)手段；開發(fā)后期，模擬潛標在水下的各種狀態(tài)及相應的數(shù)據(jù)變化，達到不下水或少下水就可以進行全面程序調(diào)試的目的。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，可以作為產(chǎn)品的一種性能測試工具。

試驗結(jié)果說明本測試系統(tǒng)能較好地滿足測試實時性要求，逼真地模擬了潛標各傳感器的工作時序。通過模擬傳感器發(fā)送給控制器的各種變化的參數(shù)，設計人員能夠找出一種最佳的控制方案來控制各傳感器系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等協(xié)調(diào)工作。對潛標上浮下潛過程中的速度、駐留點位置、循環(huán)周期等也可據(jù)此分析設計出一種合理控制方案。而且系統(tǒng)二次可開發(fā)性強,測試系統(tǒng)達到開發(fā)目標。系統(tǒng)設計方案合理,開發(fā)思路正確,對海洋測試類工程尤其是浮標、潛標類工程具有較高的科研及工程應用價值。

[1]侯廣利,張穎,孫繼昌,等.一種潛標的水下姿態(tài)變化規(guī)律分析[J].海洋技術(shù)，2010，29(3)：39-43.

[2]褚同金，曹恒永，王軍成,等.中國海洋資料浮標[M].北京：海洋出版社,2001.

[3]姜靜波,龔德俊,李思忍,等.基于LabVIEW的波浪驅(qū)動測量系統(tǒng)仿真設計[J].海洋科學,2008,32(12)：25-28.

[4]都亮，龔曉峰，侯志紅.基于虛擬儀器LabVIEW開發(fā)的串行通信系統(tǒng)[J].控制工程,2004,11：82-85.

[5]張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[6]李江全,劉恩博,胡蓉.LabVIEW虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社,2010.

Design of Simulation and Test System for Self-heave Submerged Buoy Based on LabVIEW

CHEN Zong-xi1,ZHANG Xi-yan2,QI Sheng-bo1,GUO An-gang1
(1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China;2.Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266100,China)

There should be a lot of debugging before deployment of the submerged buoy.In order to test and debug various functions of the submerged buoy on shore or in the laboratory,simulation and test system was designed based on LabVIEW.The system made full use of the characteristics of virtual instrument using modular programming technology.The software could simulate a variety of motion state of the submerged buoy under the water and the changes of the measurement parameter.It also could find and analyze the system's defects through reviewing the on-site measured data.Therefore,it could conduct a comprehensive program debugging on shore.The experimental results show that it could shorten the development cycle and optimize the control scheme to improve the quality of products through simulating the fixed value,extreme value and continuous value of the simulation and test system.

LabVIEW;simulation and test;modular programming;self-heave submerged buoy

TP274+.2

B

1003-2029（2012）02-0001-05

2011-10-10

科技部國際科技合作項目資助

陳宗喜（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向為海洋智能儀器。Email:chenzongxi123@163.com