基于PCI8602的水聲信號監測系統設計

徐襲　謝志強

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

關鍵詞： 水聲監測； 數據采集； 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，需使用水聲信號監測裝置對設備所模擬水聲信號進行監測、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測系統以水聽器為前端傳感器，在PCI8602數據采集卡的基礎上，采用LabVIEW軟件開發采集和分析軟件，構成設備水聲信號監測系統。該系統可采集、顯示水下靶標模擬水聲信號，并分析所獲取信號重要參數，具備數據存儲及回放功能，可為設備正常工作提供有效監測手段。

1 系統工作原理

系統由水聽器、信號調理模塊、數據采集卡、計算機和信號監測處理軟件組成。由PCI8602高速數據采集卡通過水聽器采集水下靶標所模擬輸出信號，系統組成示意圖如圖1所示。

當設備產生模擬水聲信號后，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，數據采集卡將調理后信號進行數模轉換，由計算機上運行的信號監測處理軟件對信號完成顯示、分析和存儲，實現對設備水聲信號的監測。

圖1 水聲信號監測系統組成示意圖

2 系統軟硬件構成

2.1 設計需求

根據水聲信號頻段特點及監測系統實現功能需求，直接采用數據采集卡作為系統核心器件用于水聲信號數據采集，該數據采集卡性能指標需求見表1。

表1 監測系統數據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、調試和運行程序的集成化環境，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開發環境具有一系列優點，從其流程圖式的編程，不需要預先編譯就存在的語法檢查、調試過程使用的數據探針，到其豐富的函數功能、數值分析、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） 提供豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數，便于功能的快速實現；

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

（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，支持常用的網絡協議，方便網絡、遠程測控儀器的開發。

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、動態范圍、時間穩定性、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定。本系統采用RHSA?20標準水聽器，內置前置放大器，檢測裝置頻率范圍可達20 Hz～100 kHz，可根據需要進行調節聲壓靈敏度，適用于長距離信號傳輸。

（2） 數據采集卡：使用PCI8602數據采集卡，是基于PCI總線的32通道數據采集卡，具備16位高速A/D轉換，最高數據采樣率可達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數據采集卡

該數據采集卡的A/D轉換啟動方式可選用支持軟件內部觸發和硬件外部觸發。硬件外部觸發的觸發源可以為模擬信號或數字信號，所具備功能完全適應本系統需求。

3 系統軟件設計

水聲信號監測系統硬件結構簡單，采用市面上現有的數據采集卡及信號調理模塊，系統的重點在監測處理軟件開發設計上，通過LabVIEW快速實現對水聲信號數據的采集、顯示、分析和存儲等功能。

3.1 軟件運行流程

水聲信號監測處理軟件開發設計是在LabVIEW 8.5平臺下進行，軟件主要分為用戶主界面、數據采集、數據保存、數據回放和信號處理等模塊。數據的采集、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 監測處理軟件主流程圖

3.2 數據采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數據讀取等函數，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個主要的函數實現數據的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數，實現高速連續不間斷大容量數據采集。重點應用VI函數如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數，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數據，一旦使用啟動設備AD函數后，需要立即用此函數讀取設備上的AD數據，形式如圖4所示。

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數

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

3.3 數據存儲模塊設計

系統通過數據采集卡采集到的數據通過相關函數獲得時間標識組合成波形數據后再進行存儲。可指定數據文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數據存儲實現如圖5所示。

圖5 軟件數據存儲實現部分程序圖

3.4 主界面設計

在LabVIEW開發環境下，只需要點擊監測系統軟件前面板上的軟按鍵即可進入相應功能模塊子VI界面并實現相應功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號監測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數據波形，波形顯示調節、數據存儲及相關參數計算等內容。程序數據采集功能實現主要通過調用PCI8602數據采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現，該PCI8602.VI文件在數據采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數即可實現數據采集卡的配置與控制。對相關數據的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數模塊來實現。

4 結 語

依據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數據采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現的水聲信號監測系統，系統組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產生的水聲信號進行監測、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據監測與處理。

參考文獻

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

[2] 田京京，夏寧.LabVIEW入門與實戰開發100例[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3] JEFFERY Travis， JIM Kring. LabVIEW for everyone [M]. Third Edition. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.

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[8] 王瑛，陳美玲，潘云.基于LabVIEW的水聲遙控系統測試平臺的設計[J].測控技術，2009，28（8）：6?8.

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

[10] 北京阿爾泰科技發展有限公司.PCI8602數據采集卡軟件使用說明書[M].北京：北京阿爾泰科技發展有限公司，2012.

圖3 監測處理軟件主流程圖

3.2 數據采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數據讀取等函數，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個主要的函數實現數據的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數，實現高速連續不間斷大容量數據采集。重點應用VI函數如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數，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數據，一旦使用啟動設備AD函數后，需要立即用此函數讀取設備上的AD數據，形式如圖4所示。

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數

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

3.3 數據存儲模塊設計

系統通過數據采集卡采集到的數據通過相關函數獲得時間標識組合成波形數據后再進行存儲。可指定數據文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數據存儲實現如圖5所示。

圖5 軟件數據存儲實現部分程序圖

3.4 主界面設計

在LabVIEW開發環境下，只需要點擊監測系統軟件前面板上的軟按鍵即可進入相應功能模塊子VI界面并實現相應功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號監測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數據波形，波形顯示調節、數據存儲及相關參數計算等內容。程序數據采集功能實現主要通過調用PCI8602數據采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現，該PCI8602.VI文件在數據采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數即可實現數據采集卡的配置與控制。對相關數據的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數模塊來實現。

4 結 語

依據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數據采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現的水聲信號監測系統，系統組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產生的水聲信號進行監測、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據監測與處理。

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[10] 北京阿爾泰科技發展有限公司.PCI8602數據采集卡軟件使用說明書[M].北京：北京阿爾泰科技發展有限公司，2012.

圖3 監測處理軟件主流程圖

3.2 數據采集模塊設計

利用子VI提供的設備操作、數據讀取等函數，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個主要的函數實現數據的采集。程序采用非空查詢方式按順序調用CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDeviceProAD等7個函數，實現高速連續不間斷大容量數據采集。重點應用VI函數如下：

（1） InitDeviceProAD為初始化AD設備函數，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數據，一旦使用啟動設備AD函數后，需要立即用此函數讀取設備上的AD數據，形式如圖4所示。

圖4 應用子VI中ReadDeviceProAD_Npt函數

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

3.3 數據存儲模塊設計

系統通過數據采集卡采集到的數據通過相關函數獲得時間標識組合成波形數據后再進行存儲。可指定數據文件的保存路徑，寫入電子表格文件，或者使用文件對話框選擇現有文件或目錄，或為新文件或目錄選擇位置存儲。采集數據存儲實現如圖5所示。

圖5 軟件數據存儲實現部分程序圖

3.4 主界面設計

在LabVIEW開發環境下，只需要點擊監測系統軟件前面板上的軟按鍵即可進入相應功能模塊子VI界面并實現相應功能。主界面如圖6所示。

圖6 水聲信號監測處理軟件主界面圖

主界面面板主要顯示采集數據波形，波形顯示調節、數據存儲及相關參數計算等內容。程序數據采集功能實現主要通過調用PCI8602數據采集卡提供的LabVIEW編程子VI實現，該PCI8602.VI文件在數據采集卡配套支持文件中，只需調用子VI中提供控制函數即可實現數據采集卡的配置與控制。對相關數據的存儲和分析處理則直接調用LabVIEW中已有的相關函數模塊來實現。

4 結 語

依據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數據采集卡為核心器件，同時應用LabVIEW快速編程實現的水聲信號監測系統，系統組成結構簡單，軟件編制簡單快速，可對設備產生的水聲信號進行監測、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據監測與處理。

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