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
三、軟件系統介紹：
1．軟件簡介：
軟件所使用的開發平臺為NI公司的LabVIEW軟件。LabVIEW是NI公司開發的一種目前應用最廣、發展最快、功能最 強的圖形化開發平臺。它是一種適合任何編程任務，具有擴展函數庫的通用編程環境，定義了數據模型、結構類型和模塊調用語法規則等編程語言的基本要素；它的擴展函數庫面向數據采集、GPIB和串行儀器控制，以及數據分析、數據顯示和數據存儲；提供了與遵從GPIB、VXI、RS-232、RS-485協議的硬件及數據采集卡的全部功能，還內置了TCP/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數，不需要編寫程序代碼，而是利用編程人員熟悉的術語，圖表和概念，來繪制程序流程圖，直觀清晰，并且包括了常用的程序調試工具，簡化了程序的開發時間和難度。
2．編程思路說明
本系統的軟件編程主要是需要實現對各個物理場采集的控制，按需要的采樣率要求進行數據采集；將采集信號傳送到上位機的用戶界面上，實時顯示，方便測試人員對測量體的布放、調試以及對目標的測量。
對于本系統來說，工作的重點是編譯各個物理場采集控制模塊，并將各采集模塊同姿態儀控制模塊集成在一起，形成一個成熟的系統采集控制軟件，可以便捷的對各個采集模塊進行控制，實時的顯示采集結果、存儲數據，更重要的是要讓程序的采集模塊之間即不相互產生沖突，也不會因為運行速度的問題產生丟點和串道。
圖3 程序流程圖
2.1 NI cRIO-9233控制采集部分
利用NI cRIO-9233采集水下物理場交變部分，軟件設計的關鍵問題首先是要保證兩個NI cRIO-9233的同步，這在Project中通過設置兩個cRIO-9233的硬件屬性，可以將兩個NI cRIO-9233的時鐘設為同步，達到要求；其次是保證信號不會產生丟點和串道，根據采樣率的要求，最高要達到10K的采樣率，選擇DMA FIFO的方式，可以解決這個問題。采集到的數據，通過對DMA的讀取，經過二進制到十進制的轉換，進行顯示和存儲以及后期的數據處理。同時，在程序中還集成了錯誤報警，當程序出錯時，可以及時的提醒測量人員。
2.2 cRIO-9004與單片機的串口通信
在本系統中，集成了對于海洋環境物理場直流信號的采集模塊以及姿態儀與漏水報警的控制和數據采集模塊，利用單片機控制各個模塊的采集，將信號通過串口傳給NI cRIO-9004，并在上位機顯示與存儲。
姿態儀和環境物理場采集模塊的工作通過上位機給單片機發送命令進行切換，方便測量人員的觀測和控制，同時，當漏水報警啟動時，單片機將傳送報警信號而不再發送其他信號，通過對信號的判斷，進行軟件報警。
在對水下測量體進行布放的時候，程序發送姿態儀工作指令給單片機，然后，讀取串口數據，并按照姿態儀的數據傳輸格式，將從串口得到的姿態儀數據提取出來并顯示，同時增加報警判斷，根據需要設定姿態判斷規則，當系統姿態達到一定的角度，程序開始報警。
FPGA.vi的程序部分
圖4 FPGA.vi的程序部分
當水下測量體姿態穩定之后，通過程序設定的切換按鈕，給單片機發送指令，結束姿態儀數據的采集并發送穩恒物理場傳感器工作指令，開始穩恒物理場的數據采集，根據單片機的數據傳輸格式，讀出串口中的字符串，并將其分解，轉換為10進制數值，并根據規則將其換算為實際的物理量，顯示出來。
圖5 上位機中DMA的數據讀取和轉換
四、結論
本文討論了基于National Instruments公司的NI CompactRIO控制和采集系統和圖形化的編程開發平臺LabVIEW而構建的海洋環境多物理場測量系統。由于很好的利用了NI CompactRIO——小巧而堅固的工業化控制和采集系統靈活，可靠等多項特性，并且結合了LabVIEW這一強大、高效的軟件開發平臺，使得整個自動化控制和采集系統能成功的應用于海洋環境多物理場的測量中，解決了傳統測量系統體積龐大，靈活性差，且操作繁瑣的難題。這也使海上實驗變得更加的方便、快捷和易于維護。通過已研制樣機的實驗，其多點同測，穩定可靠，實時便捷，靈活小巧，低功耗，布放方便等諸多優點，很好地證明了測量系統能夠滿足海上多種物理場實驗的不同參數要求。該系統的成功開發，也展現了NI公司的虛擬儀器技術在測試測量領域內的良好應用前景，為今后海洋環境多物理場測量陣的研制提供了極為有力的參考。