本文是對國家海洋技術學院開發(fā)的一組可在水下600米深海床執(zhí)行采集任務的行進裝置相應的情況做了簡單的介紹。
挑戰(zhàn)：為一臺能夠在深達600米的海床運行的水下行進裝置搭建數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。
解決方案： 使用NI LabVIEW, PXI Real-Time and Compact FieldPoint Real-Time Modules 開發(fā)系統(tǒng)。
使用產(chǎn)品：Compact FieldPoint, 數(shù)據(jù)采集, LabVIEW, LabVIEW Real-Time, PXI/CompactPCI
介紹
國家海洋技術學院開發(fā)了一組可在水下600米深海床執(zhí)行采集任務的行進裝置，該裝置同時配備有剪切、采集以及運輸物體的設備。裝置從船只上投放，我們通過裝置上的水下計算機控制所有的操作，計算機獲取來自水下傳感器的數(shù)據(jù)、通過遠程數(shù)據(jù)連接接收來自船艙控制室電腦的指令并且自動和手動地控制行進裝置上的設備輸出。我們通過使用一個多種模式下的光纖連接來建立控制船和海底計算機的通訊。為了能夠從行進裝置上獲取各種各樣的信號，例如速度、方向和溫度，我們用的是置于船艙控制室的用戶界面屏幕。控制室單元從用戶終端采集正確的控制輸入數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳遞解碼到水下裝置的系統(tǒng)上。為了操作更具靈活性，我們將水下裝置與船艙控制室之間的通訊聯(lián)絡設計成TCP/IP協(xié)議方式的通訊（默認的通訊協(xié)議），如果TCP/IP協(xié)議無法進行通訊聯(lián)絡，系統(tǒng)自動轉入串行通訊。當TCP/IP通訊聯(lián)絡恢復時，系統(tǒng)又會切回。系統(tǒng)的靈活性還在于如果船艙控制室和水下行進裝置在一定時間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡，這個模塊會將裝置維持在用戶特定的安全位置直至通訊恢復正常。
系統(tǒng)描述
我們運用下列技術開發(fā)了水下行進裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)：
兩臺工業(yè)計算機運行基于LabVIEW的應用程序，為控制船上的用戶提供用戶界面
PXI Real-Time系統(tǒng)包括一臺PXI-1002機箱和一臺PXI-8176RT嵌入式控制器
用PXI-6031多功能DAQ硬件設備連接到控制臺信號
用PXI-6508數(shù)字輸入輸出硬件連接到控制手柄正常。
在行進裝置上的緊湊型嵌入式系統(tǒng)是基于Compact FieldPoint的實時系統(tǒng)，包括下列：
cFP-2020RT 嵌入式控制器
cFP-AI-110類比輸入模塊
cFP-FTD-122 RTD 輸入模塊
cFP-AO-210 類比輸入模塊
cFP-DO-403 數(shù)字輸出模塊
水下行進裝置包括下列：
兩條水力驅動履帶使得裝置可以運動
用于松開海床上物體的剪刀
機械手臂使得剪刀向三個不同轉向運動
泥漿泵和管道使得挖到的沙子運送到控制船· 推進器維持裝置的穩(wěn)定運動，不收海流影響
水力電源單元
兩臺攝像機和它們的燈光設備，用來觀察周邊情況和剪刀運動
感應頭用來容納數(shù)據(jù)采集硬件從而來自行進裝置及周邊的各種信號并控制裝置的運動
230伏特交流電， 3KVA電纜線驅動泥漿泵、推進器控制和其他電路設備
行進裝置控制和數(shù)據(jù)采集
我們在水下行進裝置控制系統(tǒng)研發(fā)過程中選用NI Compact FieldPoint系統(tǒng)是因為它的堅固性和緊湊性。我們實施了一組 Compact FieldPoint 系統(tǒng)，包括有運行LabVIEW實時程序高端512兆記憶體的嵌入式控制器cFP-2020，溫度輸入設備 cFP-RTD-122， 模擬輸入設備cFP-AI-110， 控制驅動以及通過提供PID輸出控制方向的設備cFP-AO-210， 數(shù)字輸入設備 cFP-DO-403和速度輸入設備cFP-CTR-502。我們運用Compact FieldPoint實時控制器和 Compact FieldPoint I/O模塊控制所有行進裝置的構件。我們從船艙控制室將行進裝置連同cFP模塊投放到深達600米的海床。
PXI系統(tǒng)包括PXI-1002機箱和PXI-8176嵌入式控制器，運行的是LabVIEW實時應用程序,以及從用戶控制面板獲取數(shù)字輸入的PXI-6508, 用于控制面板模擬輸入的PXI- 6031E。
行進裝置控制模塊
這部分是運行行進裝置實時Compact FieldPoint控制器的主控制器程序。我們在LabVIEW實時（Real-Time）中編寫這個模塊。這個模塊持續(xù)從各個傳感器的感應頭上采集數(shù)據(jù)并與船艙控制室內(nèi)的PXI 實時控制器進行雙向通訊。PXI 和 Compact FieldPoint實時控制器之間的通訊是通過TCP/IP協(xié)議來進行的。當TCP/IP無法運行的時候，通訊將切換到串行模式。
我們特別設計這樣的模塊程序，當它從一個PXI實時控制器接收任何指令，模塊在激活相應的Compact FieldPoint模塊輸出前會檢查用戶設定的嚴格互鎖條件。當船只和水下行進裝置沒有通訊聯(lián)絡的時候，我們在Compact FieldPoint存儲器中維護互相獨立的數(shù)據(jù)日志、事件日志和錯誤日志文檔。一旦PXI和Compact FieldPoint之間的通訊聯(lián)絡恢復，我們把所存儲的數(shù)據(jù)上載到PXI。如果船艙控制室和水下行進裝置在一定時間內(nèi)沒有任何通訊聯(lián)絡，這個模塊會將裝置引向安全位置。這個模塊的運行要求運用PID算法來控制水下行進裝置的方向、速度和自動操作模式下兩條履帶的滑動。
通訊模塊
這個模塊是所有模塊之間通訊聯(lián)絡的核心 – 包括主從電腦之間、PXI 控制器和 Compact FieldPoint 控制器之間以及主電腦和PXI控制器之間。大多數(shù)通訊聯(lián)絡是基于TCP/IP協(xié)議的。在PXI控制器和Compact FieldPoint控制器之間還有額外的內(nèi)建通訊。 TCP/IP通訊是默認的通訊協(xié)議，但如果這種通訊方式出現(xiàn)了錯誤，模塊將自動切換到串行（RS232）模式，而這樣做不會失去與控制船的聯(lián)系。模塊將不停地核對TCP/IP通訊是否重新建立。憑借高速數(shù)據(jù)傳送，一旦TCP/IP開始工作，通訊方式又將切換回TCP/IP，因為它在數(shù)據(jù)傳輸方面有著高的速度。這個模塊負責自動地在TCP/IP和串行模式的通訊方式間進行切換。
數(shù)據(jù)記錄模塊
數(shù)據(jù)記錄模塊運行在主電腦中、PXI控制器里和Compact FieldPoint控制器里。主電腦中存儲有每一天的操作數(shù)據(jù)。PXI控制器中有所有的數(shù)據(jù)作為備份。Compact FieldPoint中存儲的是當Compact FieldPoint控制器和PXI控制器之間沒有通訊聯(lián)絡時的所有數(shù)據(jù)。當它們之間的通訊重新建立時，被存儲在Compact FieldPoint控制器中的文檔即被轉移到PXI 控制器中。我們維護相互獨立的數(shù)據(jù)、誤差記錄，同時存檔事件的日志文件。數(shù)據(jù)記錄中有所有來自行進裝置傳感器的數(shù)據(jù)。誤差記錄中有操作過程中的所有錯誤。事件日志則是記錄了所有的事件，比如在用戶在船艙控制室或者主從界面的控制動作，相應的水下行進裝置的動作，包括動作事件發(fā)生所對應的時間。系統(tǒng)按照用戶設定的記錄速率進行數(shù)據(jù)記錄。通過查看模塊，用戶可以隨時調閱之前所存儲的數(shù)據(jù)。
結論
我們用NI虛擬儀器技術的概念構建水下行進裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，使用了包括LabVIEW、 PXI實時（Real-Time）以及 Compact FieldPoint Real-Time的技術,通過最高效的應用程序完成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的構建。該系統(tǒng)不僅負責獲取來自水下 600米深的海床處行進裝置的信號，而且還負責控制行進裝置本身。最終，我們縮短了開發(fā)的時間,并且還具備了應付未來技術不斷改進升級的能力。