趙瑜 鄒鵬毅 吳招才 吳文福 黃成功

（1 第七一五研究所，杭州，310023；2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，杭州，310012）

海洋磁測(cè)采集系統(tǒng)是一種集成多類地磁勘測(cè)設(shè)備的綜合測(cè)量系統(tǒng)，包括測(cè)量海洋磁場(chǎng)的矢量磁力儀設(shè)備、測(cè)量姿態(tài)信息的慣性導(dǎo)航設(shè)備、測(cè)量方位的 GPS設(shè)備、測(cè)量地磁日變的日變站設(shè)備以及溫度、壓力等傳感器。系統(tǒng)以 LabView8.6版本為開發(fā)平臺(tái)，充分利用 LabView的強(qiáng)大功能，通過 RS-232串口協(xié)議對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，做到實(shí)時(shí)處理、顯示和保存，即降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，又縮短了系統(tǒng)研發(fā)周期。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成如圖 1所示，其中矢量梯度儀是由兩組矢量磁力儀設(shè)備組成，用于測(cè)量空間磁場(chǎng)的各分量梯度信息；測(cè)量點(diǎn)的姿態(tài)信息由慣性導(dǎo)航設(shè)備提供；測(cè)量點(diǎn)的位置信息由 GPS定位裝置提供。日變站設(shè)備提供測(cè)區(qū)的日變信息，用于日變信號(hào)校準(zhǔn)。另外溫度傳感器和壓力傳感器分別提供設(shè)備的溫度和壓力信息，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的異常情況[1-2]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖中兩組矢量磁力儀信號(hào)、慣導(dǎo)姿態(tài)信號(hào)和溫度/壓力信號(hào)通過數(shù)據(jù)融合模塊的處理，由串口發(fā)送到系統(tǒng)處理單元；另外兩路數(shù)據(jù)分別為 GPS信號(hào)和日變信號(hào)，三路串口數(shù)據(jù)由系統(tǒng)處理單元進(jìn)行同步處理，用于后續(xù)顯示和保存操作。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

LabView開發(fā)平臺(tái)主要有兩個(gè)窗口：前面板和后面板。其中前面板用來(lái)布局輸入控件和顯示界面；后面板用于代碼編程，基于圖形化語(yǔ)言編寫，相當(dāng)于 C語(yǔ)言編程中的代碼[3-5]。在本程序設(shè)計(jì)中，前面板主要用于串口設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理。

2.1 串口配置模塊

程序軟件通過串口與各種設(shè)備進(jìn)行通信，核心控件為 VISA控件，可以對(duì)用于串口通信的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等，圖2為各參數(shù)選項(xiàng)列表。在串口參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)確保需要的串口參數(shù)全部選擇正確，避免多路串口重復(fù)設(shè)置。圖3為程序編程框圖。

圖2 串口參數(shù)設(shè)置列表

圖3 串口設(shè)置實(shí)現(xiàn)框圖

2.2 串口采集模塊

串口采集模塊包括三個(gè)部分，分別是磁矢量數(shù)據(jù)采集、GPS定位數(shù)據(jù)采集、日變數(shù)據(jù)采集，下文對(duì)磁矢量數(shù)據(jù)采集進(jìn)行介紹。

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)融合模塊將磁矢量信息融合后，以數(shù)據(jù)包的形式按照 1 Hz的頻率發(fā)送給程序軟件。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度固定為 73個(gè)十六進(jìn)制字節(jié)，數(shù)據(jù)依次為：起始位、磁矢量數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)等，表 1為數(shù)據(jù)包各字段詳細(xì)解釋。

表1 磁矢量數(shù)據(jù)包字段解釋列表

在串口采集過程中，可以通過判斷串口接收的字符數(shù)以及數(shù)據(jù)包的起始/結(jié)束標(biāo)識(shí)位來(lái)確定數(shù)據(jù)包是否接收完整。程序首先判斷串口采集的字符串?dāng)?shù)量，接著進(jìn)一步匹配數(shù)據(jù)包起始/結(jié)束標(biāo)志位，然后比較數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度是否為 73。圖 4為串口采集流程圖。

程序?qū)崿F(xiàn)過程中，通過 LabView中的 VISA Read.vi控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口字符的讀取，讀取字節(jié)數(shù)由“屬性節(jié)點(diǎn)”控件的“Bytes at Port”屬性來(lái)控制， 圖5為程序編程框圖。

圖4 串口采集流程圖

圖5 串口采集程序編程框圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是采集軟件最重要的功能，數(shù)據(jù)以文本文檔的形式保存，文檔名稱以程序開始運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行命名。在磁矢量數(shù)據(jù)保存過程中，以每個(gè)數(shù)據(jù)包為基準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)，即每個(gè)數(shù)據(jù)包為單獨(dú)一行，不同數(shù)據(jù)包之間以回車換行作為結(jié)束，并且每個(gè)文件的存儲(chǔ)數(shù)量固定為 86400，以避免存儲(chǔ)文件過大而影響采集。圖 6為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖。

程序?qū)崿F(xiàn)過程中，用到的關(guān)鍵控件有“Write to Text File.vi”、“Open/Create/Replace File.vi”，分別用于將數(shù)據(jù)包寫入到存儲(chǔ)文件和新建文本文檔，圖7為程序編程框圖。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序編程框圖

3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

圖8為海磁數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的采集界面，試驗(yàn)證明采集系統(tǒng)能夠正常對(duì)磁矢量數(shù)據(jù)、慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)和日變數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示和存儲(chǔ)(圖 9～圖 11)。軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)，滿足系統(tǒng)的需要。

圖8 采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)界面

圖9 存儲(chǔ)文檔數(shù)據(jù)界面

圖10 采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖（原始）

圖11 采集系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖（去噪后）

4 結(jié)論

海磁數(shù)據(jù)綜合采集系統(tǒng)采用 LabView開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫，相比其它語(yǔ)言而言，開發(fā)周期縮短，而且穩(wěn)定性好。系統(tǒng)能夠同步采集矢量磁力梯度數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)和日變數(shù)據(jù)，并按照要求進(jìn)行顯示、處理和存儲(chǔ)操作。通過多次實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并隨雪龍?zhí)柨瓶即s赴南極科考試驗(yàn)。

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