基于LabVIEW的自升沉式潛標模擬測試系統設計

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。為了能夠在岸邊或實驗室對潛標的各項性能進行驗證和調試工作，開發了基于LabVIEW的潛標模擬測試系統。該系統充分利用虛擬儀器的特點，采用模塊化編程技術，利用軟件模擬潛標在水下的各種運動狀態及傳感器感應的測量參數變化，或通過對現場測量數據的回放查找分析潛標系統本身存在的缺陷，實現潛標不下水或少下水就可以進行全面測試的目的。實驗結果表明，利用模擬測試系統可以進行固定值、極值和連續變化值模擬，能夠縮短設備開發周期，優化系統控制方案，對提高產品質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的新型海洋監測設備，既具有錨泊潛標可長期獲得定點連續觀測數據的優點,又具有漂流式剖面測量潛標可自動升沉測量剖面數據的優點,而且隱蔽性好、安全性高、結構簡單、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，通過安裝在標體內的電機牽引系統收放鋼纜以及本身的浮力實現上浮下潛運動，并在上升過程中完成相關測量任務。自升沉式潛標布放后完全工作在水下，其工作狀態在水面上無法進行有效觀察,下水后一旦出現問題將無法及時發現并排除,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，延長研發周期[3]。通過開發實驗室潛標模擬測試系統，可以模擬實際海洋環境參數的變化范圍和方式以及潛標的姿態，達到縮短開發周期[4]，優化功能和提高質量的目的。

文獻[1]設計了一款海洋要素多通道實時采集系統，提出了一套高度自動化模塊化的綜合實時觀測系統，將多個不同功能的水文氣象傳感器有機組合，完成海洋要素的監控和采集工作。但其基于VB編寫，對于復雜系統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合，是構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]。不僅能夠將繁瑣復雜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。與傳統的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠大大節省程序開發時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現出極高的效率。

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

1 潛標模擬測試系統總體設計

實際控制系統由控制器、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的測量，以便在潛標回收后能夠進行潛標的姿態反演。利用潛標系統來獲取水下不同層面上的長期連續的海流、溫度等海洋水文資料,對于海洋環境觀測具有十分重要的作用。

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

模擬測試系統用兩個NI公司的USB-232/4來與控制器連接。該設備一個USB轉為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。使用該設備可以方便地進行現場調試，更為重要的是該設備和LabVIEW軟件都是NI公司產品，能實現軟硬件間無縫連接，保證可靠性。

圖1 模擬測試系統總體設計

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，根據實際系統的控制要求，一方面模擬測試系統同步模擬各傳感器工作時序和采集數據，另一方面控制器按時序調取模擬測試系統模擬的各個傳感器的數據，并對模擬的數據分析驗證來判斷控制系統的合理性。

2 軟件設計

本模擬測試系統不僅能夠單獨模擬各個傳感器和電機的工作時序和參數變化過程，而且可以整體模擬某時刻全部傳感器工作情況。傳感器參數可設置為單值，也可根據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。

為優化整體設計流程，易于其他人員維護，本系統將ADCP、CTD等傳感器獨立設計，在各自完成相應的功能基礎上有機結合為整體。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

為使模擬傳感器更能逼近實際傳感器，系統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節，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，模擬傳感器發送數據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、數據位、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 命令識別與參數回復模塊

LabVIEW模擬傳感器接收到上位機發送的命令時，模擬傳感器先識別出這條命令，然后將模擬數據以字符串形式組合發送給控制器。每種實際傳感器都有數十條控制命令，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即可滿足控制要求如圖4所示。

2.2.5 參數變化方式模塊

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是否穩定。正弦波方式是指參數隨時間按正弦波方式變化，來模擬真實環境中的參數變化。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為待測參數上限，Ymin為待測參數下限。待測參數以真實環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 串口通信驅動模塊

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

圖5 正弦波變化方式程序示意圖

串口通信驅動部分首先將“命令識別與參數回復”環節發出的數據轉換為符合傳感器串口通信協議的字符串，其次響應控制器發送的控制命令，將字符串發送給控制器。不同種類傳感器的通信協議不同，因此各個模擬傳感器的驅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，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

本模擬測試系統利用LabVIEW虛擬儀器技術進行可視化編程，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有所差異。對此，將參數設計為正弦波方式變化，依照駐留點位置和個數等設置周期點數和采樣間隔，使模擬測試系統能夠模擬任意時刻和任意深度的參數值，從而能夠模擬不同海域中真實系統的工作情況。

參數以正弦波和單值兩種方式變化，不僅便于調試，而且使模擬結果更加逼真實際環境。通過把溫度、鹽度和深度設計成帶數字顯示的垂直條形式，用戶不僅可以知道當前的模擬參數值，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據變化趨勢。將3種參數整合在一個波形圖中便于觀察曲線變化，分析當前模擬系統工作狀態和溫鹽深的相對關系。

3 實驗及結果分析

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

首先，給定模擬系統采樣周期為60 s，采樣間隔為3 s,以正弦波方式輸出連續變化數值。其次，根據實際控制要求，潛標上浮到一定深度開始測量數據，控制器對模擬測試系統發送查看數據命令“st”，模擬傳感器中的ADCP模塊接收到此命令，并依照“命令識別與參數回復模塊”中“st”選項下設定的數據組合方式，回復“參數變化方式模塊”模擬的數據，數據為十六進制格式。再通過“串口驅動模塊”將數據發送給控制器，控制器將十六進制數據解析為十進制，并由內部算法判斷收到數據是否合理，將解析出的分流速合成再和模擬的數據比較，以此驗證控制系統的正確性和精確性。數據格式如圖8所示，模擬10層數據，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。表1為控制器收到的模擬系統發送的數據，控制器解析出的流向數據精確到個位數，所以只取模擬數據中的整數部分。

圖8 LabVIEW模擬的ADCP數據

表1 控制器收到的流速流向數據

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據，以此分析數據的合理性，找出控制系統的不足之處，從而改進控制方案。模擬測試系統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調工作等關鍵問題。本系統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 結束語

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

試驗結果說明本測試系統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。通過模擬傳感器發送給控制器的各種變化的參數，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、拖動系統、電池管理系統、通信系統等協調工作。對潛標上浮下潛過程中的速度、駐留點位置、循環周期等也可據此分析設計出一種合理控制方案。而且系統二次可開發性強,測試系統達到開發目標。系統設計方案合理,開發思路正確,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變化規律分析[J].海洋技術，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的波浪驅動測量系統仿真設計[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開發的串行通信系統[J].控制工程,2004,11：82-85.

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

[6]李江全,劉恩博,胡蓉.LabVIEW虛擬儀器數據采集與串口通信測控應用實戰[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