基于PCI8602的水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐襲　謝志強(qiáng)

摘 要： 為了提高水聲信號(hào)監(jiān)測效果和能力，設(shè)計(jì)了一種基于PCI8602數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程軟件的靶標(biāo)水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RHSA20標(biāo)準(zhǔn)水聽器為前端傳感器，連接信號(hào)調(diào)理模塊，以PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心硬件，通過LabVIEW編程軟件快速實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)，可滿足對(duì)水聲信號(hào)的監(jiān)測需求。

關(guān)鍵詞： 水聲監(jiān)測； 數(shù)據(jù)采集； LabVIEW； PCI8602

中圖分類號(hào)： TN911.7?34；TB56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）09?0020?03

0 引 言

在水下靶標(biāo)設(shè)備日常維護(hù)與海上試驗(yàn)中，為確保設(shè)備對(duì)目標(biāo)聲學(xué)特性準(zhǔn)確模擬，需使用水聲信號(hào)監(jiān)測裝置對(duì)設(shè)備所模擬水聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、存儲(chǔ)和處理，以判定信號(hào)是否模擬正確、設(shè)備是否工作正常。本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)以水聽器為前端傳感器，在PCI8602數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上，采用LabVIEW軟件開發(fā)采集和分析軟件，構(gòu)成設(shè)備水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集、顯示水下靶標(biāo)模擬水聲信號(hào)，并分析所獲取信號(hào)重要參數(shù)，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回放功能，可為設(shè)備正常工作提供有效監(jiān)測手段。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由水聽器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和信號(hào)監(jiān)測處理軟件組成。由PCI8602高速數(shù)據(jù)采集卡通過水聽器采集水下靶標(biāo)所模擬輸出信號(hào)，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

當(dāng)設(shè)備產(chǎn)生模擬水聲信號(hào)后，水聽器將聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使用信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，由計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的信號(hào)監(jiān)測處理軟件對(duì)信號(hào)完成顯示、分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備水聲信號(hào)的監(jiān)測。

圖1 水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成

2.1 設(shè)計(jì)需求

根據(jù)水聲信號(hào)頻段特點(diǎn)及監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能需求，直接采用數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)核心器件用于水聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集，該數(shù)據(jù)采集卡性能指標(biāo)需求見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡指標(biāo)需求列表

[名 稱＼&相關(guān)需求＼&備 注＼&信號(hào)頻段＼&小于40 kHz＼&常用水聲頻率范圍＼&采集通道＼&1路＼&實(shí)際使用備份>1＼&采樣頻率＼&400 kHz＼&信號(hào)頻率10倍＼&轉(zhuǎn)換精度＼&AD 14 b＼&轉(zhuǎn)換精度越高越好＼&輸入量程＼&0～10 V＼&采集信號(hào)分辨率＼&編程語言＼&支持LabVIEW＼&簡單、易用、快速＼&板卡接口＼&PCI接口＼&適用于計(jì)算機(jī)連接＼&]

2.2 編程軟件

LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）推出的一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是目前國際上惟一的編譯型的圖形化編程語言。在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測量和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LabVIEW開發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從其流程圖式的編程，不需要預(yù)先編譯就存在的語法檢查、調(diào)試過程使用的數(shù)據(jù)探針，到其豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，比較適用于本軟件的編制，其主要特點(diǎn)如下：

（1） 圖形化編程方式，設(shè)計(jì)者無需寫文本格式的代碼，符合工程師應(yīng)用習(xí)慣；

（2） 提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫函數(shù)，便于功能的快速實(shí)現(xiàn)；

（3） 具備傳統(tǒng)程序調(diào)試手段，又提供了獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，便于觀察程序運(yùn)行細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷；

（4） 提供如DLL、DDE等與第三方軟件進(jìn)行連接的編程方法和機(jī)制；

（5） 強(qiáng)大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測控儀器的開發(fā)。

2.3 主要硬件

（1） 水聽器：按照國際電工委員會(huì)（IEC）制定國際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)壓電型標(biāo)準(zhǔn)水聽器在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、時(shí)間穩(wěn)定性、方向指向性以及靈敏度隨靜壓（水深）、溫度等的變化范圍均作了規(guī)定。本系統(tǒng)采用RHSA?20標(biāo)準(zhǔn)水聽器，內(nèi)置前置放大器，檢測裝置頻率范圍可達(dá)20 Hz～100 kHz，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)聲壓靈敏度，適用于長距離信號(hào)傳輸。

（2） 數(shù)據(jù)采集卡：使用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡，是基于PCI總線的32通道數(shù)據(jù)采集卡，具備16位高速A/D轉(zhuǎn)換，最高數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)250 kHz。該接口卡安裝使用方便，程序編制簡單，其模擬輸入輸出及I/O信號(hào)均由卡上D型插頭與外部信號(hào)源及設(shè)備連接。對(duì)于模擬輸入部分，可根據(jù)使用實(shí)際需求選擇單端或雙端輸入方式；板載8K FIFO采樣緩存器；輸入信號(hào)范圍為-10～10 V，-5～5 V，0～10 V，0～5 V等可選。采集卡如圖2所示。

圖2 PCI8602數(shù)據(jù)采集卡

該數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式可選用支持軟件內(nèi)部觸發(fā)和硬件外部觸發(fā)。硬件外部觸發(fā)的觸發(fā)源可以為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，所具備功能完全適應(yīng)本系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，采用市面上現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集卡及信號(hào)調(diào)理模塊，系統(tǒng)的重點(diǎn)在監(jiān)測處理軟件開發(fā)設(shè)計(jì)上，通過LabVIEW快速實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。

3.1 軟件運(yùn)行流程

水聲信號(hào)監(jiān)測處理軟件開發(fā)設(shè)計(jì)是在LabVIEW 8.5平臺(tái)下進(jìn)行，軟件主要分為用戶主界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放和信號(hào)處理等模塊。數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲(chǔ)是軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)，其軟件主流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測處理軟件主流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

利用子VI提供的設(shè)備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調(diào)用接口單元圖標(biāo)，粘貼至用戶LabVIEW應(yīng)用程序中，然后按函數(shù)原型定義和說明連接該接口模塊即可順利使用。

該模塊要使用7個(gè)主要的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調(diào)用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點(diǎn)應(yīng)用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設(shè)備函數(shù)，主要負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的AD部件，為設(shè)備的操作就緒做有關(guān)準(zhǔn)備工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等；

（2） ReadDeviceProAD_Npt為使用FIFO的非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)，一旦使用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后，需要立即用此函數(shù)讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，形式如圖4所示。

圖4 應(yīng)用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設(shè)備函數(shù)，必須在調(diào)用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后才能調(diào)用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設(shè)備不再轉(zhuǎn)換外，不改變?cè)O(shè)備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)函數(shù)獲得時(shí)間標(biāo)識(shí)組合成波形數(shù)據(jù)后再進(jìn)行存儲(chǔ)。可指定數(shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對(duì)話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或?yàn)樾挛募蚰夸涍x擇位置存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設(shè)計(jì)

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，只需要點(diǎn)擊監(jiān)測系統(tǒng)軟件前面板上的軟按鍵即可進(jìn)入相應(yīng)功能模塊子VI界面并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號(hào)監(jiān)測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數(shù)據(jù)波形，波形顯示調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)主要通過調(diào)用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)CI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調(diào)用子VI中提供控制函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理則直接調(diào)用LabVIEW中已有的相關(guān)函數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

依據(jù)水下設(shè)備日常維護(hù)與試驗(yàn)使用需求，本文設(shè)計(jì)了以標(biāo)準(zhǔn)水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時(shí)應(yīng)用LabVIEW快速編程實(shí)現(xiàn)的水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單，軟件編制簡單快速，可對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的水聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、處理，為水下設(shè)備的可靠、正常工作，提供有效技術(shù)支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號(hào)的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

參考文獻(xiàn)

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圖3 監(jiān)測處理軟件主流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

利用子VI提供的設(shè)備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調(diào)用接口單元圖標(biāo)，粘貼至用戶LabVIEW應(yīng)用程序中，然后按函數(shù)原型定義和說明連接該接口模塊即可順利使用。

該模塊要使用7個(gè)主要的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調(diào)用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點(diǎn)應(yīng)用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設(shè)備函數(shù)，主要負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的AD部件，為設(shè)備的操作就緒做有關(guān)準(zhǔn)備工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等；

（2） ReadDeviceProAD_Npt為使用FIFO的非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)，一旦使用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后，需要立即用此函數(shù)讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，形式如圖4所示。

圖4 應(yīng)用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設(shè)備函數(shù)，必須在調(diào)用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后才能調(diào)用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設(shè)備不再轉(zhuǎn)換外，不改變?cè)O(shè)備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)函數(shù)獲得時(shí)間標(biāo)識(shí)組合成波形數(shù)據(jù)后再進(jìn)行存儲(chǔ)。可指定數(shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對(duì)話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或?yàn)樾挛募蚰夸涍x擇位置存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設(shè)計(jì)

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，只需要點(diǎn)擊監(jiān)測系統(tǒng)軟件前面板上的軟按鍵即可進(jìn)入相應(yīng)功能模塊子VI界面并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號(hào)監(jiān)測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數(shù)據(jù)波形，波形顯示調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)主要通過調(diào)用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)CI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調(diào)用子VI中提供控制函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理則直接調(diào)用LabVIEW中已有的相關(guān)函數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

依據(jù)水下設(shè)備日常維護(hù)與試驗(yàn)使用需求，本文設(shè)計(jì)了以標(biāo)準(zhǔn)水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時(shí)應(yīng)用LabVIEW快速編程實(shí)現(xiàn)的水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單，軟件編制簡單快速，可對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的水聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、處理，為水下設(shè)備的可靠、正常工作，提供有效技術(shù)支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號(hào)的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

參考文獻(xiàn)

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[10] 北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司.PCI8602數(shù)據(jù)采集卡軟件使用說明書[M].北京：北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司，2012.

圖3 監(jiān)測處理軟件主流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

利用子VI提供的設(shè)備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調(diào)用接口單元圖標(biāo)，粘貼至用戶LabVIEW應(yīng)用程序中，然后按函數(shù)原型定義和說明連接該接口模塊即可順利使用。

該模塊要使用7個(gè)主要的函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調(diào)用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個(gè)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點(diǎn)應(yīng)用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設(shè)備函數(shù)，主要負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的AD部件，為設(shè)備的操作就緒做有關(guān)準(zhǔn)備工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等；

（2） ReadDeviceProAD_Npt為使用FIFO的非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)，一旦使用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后，需要立即用此函數(shù)讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，形式如圖4所示。

圖4 應(yīng)用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設(shè)備函數(shù)，必須在調(diào)用啟動(dòng)設(shè)備AD函數(shù)后才能調(diào)用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設(shè)備不再轉(zhuǎn)換外，不改變?cè)O(shè)備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)函數(shù)獲得時(shí)間標(biāo)識(shí)組合成波形數(shù)據(jù)后再進(jìn)行存儲(chǔ)。可指定數(shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對(duì)話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或?yàn)樾挛募蚰夸涍x擇位置存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設(shè)計(jì)

在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，只需要點(diǎn)擊監(jiān)測系統(tǒng)軟件前面板上的軟按鍵即可進(jìn)入相應(yīng)功能模塊子VI界面并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號(hào)監(jiān)測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數(shù)據(jù)波形，波形顯示調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)主要通過調(diào)用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)CI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調(diào)用子VI中提供控制函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理則直接調(diào)用LabVIEW中已有的相關(guān)函數(shù)模塊來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

依據(jù)水下設(shè)備日常維護(hù)與試驗(yàn)使用需求，本文設(shè)計(jì)了以標(biāo)準(zhǔn)水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時(shí)應(yīng)用LabVIEW快速編程實(shí)現(xiàn)的水聲信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單，軟件編制簡單快速，可對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的水聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、處理，為水下設(shè)備的可靠、正常工作，提供有效技術(shù)支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號(hào)的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

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