徐襲　謝志強

摘 要： 為了提高水聲信號監(jiān)測效果和能力，設計了一種基于PCI8602數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW編程軟件的靶標水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RHSA20標準水聽器為前端傳感器，連接信號調理模塊，以PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心硬件，通過LabVIEW編程軟件快速實現(xiàn)對水聲信號的實時數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲，可滿足對水聲信號的監(jiān)測需求。

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

中圖分類號： TN911.7?34；TB56 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0020?03

0 引 言

在水下靶標設備日常維護與海上試驗中，為確保設備對目標聲學特性準確模擬，需使用水聲信號監(jiān)測裝置對設備所模擬水聲信號進行監(jiān)測、存儲和處理，以判定信號是否模擬正確、設備是否工作正常。本文設計的水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)以水聽器為前端傳感器，在PCI8602數(shù)據(jù)采集卡的基礎上，采用LabVIEW軟件開發(fā)采集和分析軟件，構成設備水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集、顯示水下靶標模擬水聲信號，并分析所獲取信號重要參數(shù)，具備數(shù)據(jù)存儲及回放功能，可為設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、信號調理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、計算機和信號監(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所模擬輸出信號，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

當設備產(chǎn)生模擬水聲信號后，水聽器將聲學信號轉換為電信號，使用信號調理模塊對轉換的電信號進行放大、濾波，數(shù)據(jù)采集卡將調理后信號進行數(shù)模轉換，由計算機上運行的信號監(jiān)測處理軟件對信號完成顯示、分析和存儲，實現(xiàn)對設備水聲信號的監(jiān)測。

圖1 水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)軟硬件構成

2.1 設計需求

根據(jù)水聲信號頻段特點及監(jiān)測系統(tǒng)實現(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數(shù)據(jù)采集，該數(shù)據(jù)采集卡性能指標需求見表1。

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

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

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)、調試和運行程序的集成化環(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機為基礎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，從其流程圖式的編程，不需要預先編譯就存在的語法檢查、調試過程使用的數(shù)據(jù)探針，到其豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、信號處理和設備驅動等功能，比較適用于本軟件的編制，其主要特點如下：

（1） 圖形化編程方式，設計者無需寫文本格式的代碼，符合工程師應用習慣；

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

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

（4） 提供如DLL、DDE等與第三方軟件進行連接的編程方法和機制；

（5） 強大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡協(xié)議，方便網(wǎng)絡、遠程測控儀器的開發(fā)。

2.3 主要硬件

（1） 水聽器：按照國際電工委員會（IEC）制定國際標準，對壓電型標準水聽器在靈敏度、動態(tài)范圍、時間穩(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標準水聽器，內(nèi)置前置放大器，檢測裝置頻率范圍可達20 Hz～100 kHz，可根據(jù)需要進行調節(jié)聲壓靈敏度，適用于長距離信號傳輸。

（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轉換，最高數(shù)據(jù)采樣率可達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信號均由卡上D型插頭與外部信號源及設備連接。對于模擬輸入部分，可根據(jù)使用實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轉換啟動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)源可以為模擬信號或數(shù)字信號，所具備功能完全適應本系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設計

水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)硬件結構簡單，采用市面上現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集卡及信號調理模塊，系統(tǒng)的重點在監(jiān)測處理軟件開發(fā)設計上，通過LabVIEW快速實現(xiàn)對水聲信號數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析和存儲等功能。

3.1 軟件運行流程

水聲信號監(jiān)測處理軟件開發(fā)設計是在LabVIEW 8.5平臺下進行，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)回放和信號處理等模塊。數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲是軟件設計重點，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)采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調用接口單元圖標，粘貼至用戶LabVIEW應用程序中，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個主要的函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數(shù)，實現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點應用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數(shù)，主要負責初始化設備對象中的AD部件，為設備的操作就緒做有關準備工作，如預置AD采集通道，采樣頻率等；

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

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設備函數(shù)，必須在調用啟動設備AD函數(shù)后才能調用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設備不再轉換外，不改變設備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關函數(shù)獲得時間標識組合成波形數(shù)據(jù)后再進行存儲?？芍付〝?shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設計

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

圖6 水聲信號監(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，波形顯示調節(jié)、數(shù)據(jù)存儲及相關參數(shù)計算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)主要通過調用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現(xiàn)，該PCI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數(shù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對相關數(shù)據(jù)的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數(shù)模塊來實現(xiàn)。

4 結 語

依據(jù)水下設備日常維護與試驗使用需求，本文設計了以標準水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現(xiàn)的水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產(chǎn)生的水聲信號進行監(jiān)測、處理，為水下設備的可靠、正常工作，提供有效技術支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

參考文獻

[1] 陳國順，張桐，郭陽寬.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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[9] 王立，劉文怡，張國軍.仿生矢量水聽器水下監(jiān)測記錄裝置[J].計算機測量與控制，2011，19（1）：33?35.

[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)采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調用接口單元圖標，粘貼至用戶LabVIEW應用程序中，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個主要的函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數(shù)，實現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點應用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數(shù)，主要負責初始化設備對象中的AD部件，為設備的操作就緒做有關準備工作，如預置AD采集通道，采樣頻率等；

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

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設備函數(shù)，必須在調用啟動設備AD函數(shù)后才能調用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設備不再轉換外，不改變設備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關函數(shù)獲得時間標識組合成波形數(shù)據(jù)后再進行存儲?？芍付〝?shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設計

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

圖6 水聲信號監(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，波形顯示調節(jié)、數(shù)據(jù)存儲及相關參數(shù)計算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)主要通過調用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現(xiàn)，該PCI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數(shù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對相關數(shù)據(jù)的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數(shù)模塊來實現(xiàn)。

4 結 語

依據(jù)水下設備日常維護與試驗使用需求，本文設計了以標準水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現(xiàn)的水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產(chǎn)生的水聲信號進行監(jiān)測、處理，為水下設備的可靠、正常工作，提供有效技術支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

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圖3 監(jiān)測處理軟件主流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數(shù)據(jù)讀取等函數(shù)，可在LabVIEW中打開PCI8602.VI文件，將待調用接口單元圖標，粘貼至用戶LabVIEW應用程序中，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個主要的函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數(shù)，實現(xiàn)高速連續(xù)不間斷大容量數(shù)據(jù)采集。重點應用VI函數(shù)如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數(shù)，主要負責初始化設備對象中的AD部件，為設備的操作就緒做有關準備工作，如預置AD采集通道，采樣頻率等；

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

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)

（3） StopDeviceProAD為暫停AD設備函數(shù)，必須在調用啟動設備AD函數(shù)后才能調用此函數(shù)，該函數(shù)除了停止AD設備不再轉換外，不改變設備的其他任何狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過相關函數(shù)獲得時間標識組合成波形數(shù)據(jù)后再進行存儲?？芍付〝?shù)據(jù)文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現(xiàn)有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 軟件數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)部分程序圖

3.4 主界面設計

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

圖6 水聲信號監(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，波形顯示調節(jié)、數(shù)據(jù)存儲及相關參數(shù)計算等內(nèi)容。程序數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)主要通過調用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現(xiàn)，該PCI8602.VI文件在數(shù)據(jù)采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數(shù)即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的配置與控制。對相關數(shù)據(jù)的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數(shù)模塊來實現(xiàn)。

4 結 語

依據(jù)水下設備日常維護與試驗使用需求，本文設計了以標準水聽器為前端傳感器，采用PCI8602數(shù)據(jù)采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現(xiàn)的水聲信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產(chǎn)生的水聲信號進行監(jiān)測、處理，為水下設備的可靠、正常工作，提供有效技術支撐。更換前端傳感器后也可以適用于其他信號的數(shù)據(jù)監(jiān)測與處理。

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