使用LabVIEW、PXI、DAQ和DIAdem搭建聲納導流罩監測

挑戰：

對意大利海軍多功能護衛艦(FREMM)聲納導流罩內部不同部件的設計和集成進行驗證。

解決方案：

基于LabVIEW和NI PXI數據采集(DAQ)硬件開發一個聲納導流罩監測系統(SDMS)，來采集處理所有的相關板載數據，并基于NI DIAdem搭建一個后處理系統。

圖1：聲納導流罩監測系統構架

· 我們需要一個可以完成以下功能的SDMS：

· 采集數據以分析聲納整流罩的結構和振動行為，以及在船只正常運作時由于流體力學部件所產生的彈性反應。系統必須能夠提供初步的實時細節(DIAdem通過已記錄的數據集做進一步的細節和互相關分析)

· 計算平臺自身的噪音

· 通過記錄的數據和分析，對導流罩上機械噪音的傳播及其影響進行評估。

NI軟件和硬件系統構架的一個主要優勢是技術數據管理流(TDMS)文件格式，能在實時和后處理的狀態下，將原始數據或處理好的數據與船舶的姿態和速度，以及推進姿態，RPM和螺旋槳距自動關聯。

SDMS應用

SDMS是按照Orizzonte Sistemi Navali(OSN)公司的規范標準進行開發的，他們是多功能護衛艦主要的承包商。CETENA搭建集成整個系統，SITEM開發LabVIEW應用程序。

DAQ系統是基于PXI/SCXI的平臺，包括了一個NI PXI-8110控制器，一個NI PXI-1050機箱，一個NI PXI-6251多功能數據采集模塊，四個NI PXI-4462 IEPE加速度計DAQ模塊，和兩個NI SCXI-1520應變計輸入模塊。

即使非專業的操作員也能使用SDMS記錄所有聲納整流罩相關的結構和聲音參數。在船舶運轉過程中，可以使用SDMS記錄所有聲納整流罩相關的結構和聲音參數，無需產生過多數據即可對導流罩內部部件的集成進行驗證。

SDMS包含兩個操作模式，在非輔助模式下，SDMS軟件會檢查重要的傳入信號，根據設定的閾值來檢測開始/停止記錄觸發。在輔助模式下，觸發實時閾值估算不可使用。用戶可以選擇是否需要手動開始或停止一段記錄，并對記錄的數據進行管理。操作模式可在窗口主界面的操作選項中進行控制。

SDMS主要以三種方式對數據采集進行管理。在DAQ模擬輸入數據采集中，從DAQ模塊中輸出的信號將直接由應用程序進行采集、分析和儲存。在OPC數據采集中，OPC信號通過TCP/IP連接和以太網連接到船舶管理系統(SMS)進行采集。這些信號與一些船舶機械相關，例如DGs RPM、螺旋槳距，或其他設備狀態。在UDP數據采集中，信號采集可以通過導航系統的以太網絡完成。

所有被記錄的數據都以TDMS文件格式儲存。因為它是一個開放的構架，用戶可以選擇數據分析軟件(比如DIAdem)查看數據。TDMS文件可以包含原始數據，OPC，UDP，加速度計快速傅里葉轉換(FFT)波形，和信道計算(也被稱為綜合信道)。

SDMS軟件HMI

SDMS人機界面(HMI)提供了一個易于使用的圖形化界面來管理采集和處理那些根據預見需求所產生的任務。HMI由一系列已給定任務的視圖組成并根據功能的同一性進行分組。操作員開啟SDMS項目即可進入主頁(主界面)。由此可以進入SDMS并使用不同的功能，比如連續數據采集、綜合計算、或光譜分析、數據記錄、數據獲取，都由不同的軟件模塊進行管理。

圖2：SDMS HMI主界面

SDMS HMI在屏幕頂端有固定的標題，用于顯示導航系統(NAVS)和船舶機械中某個固定OPC和UDP信號的實時數值。在屏幕中央顯示用戶調用的動態子面板。默認的主頁子面板，也被稱為主界面，可以使用戶訪問其他的子面板。SDMS還能計算一些其他的綜合信道。這些信道可能包括應變計、壓力、水聽器或加速度計的信號輸入。

SDMS通道分組

所有通過NI采集系統進行采集的通道都會被分組。通過分組，系統在組中通道的一個綜合信號超出閾值時，依然能在選定的組中記錄通道的原始數據。

數據儲存規格，記錄開始事件

當船舶速度(UDP信號)超過了閾值，主記錄事件便會被檢測到。當主觸發事件開始后，系統會儲存所有的OPC、UDP和綜合計算信道。之后，主記錄事件會被檢測，其他分組的閾值會繼續被評估。系統還具有預觸發緩沖的特性。整個記錄過程會在觸發事件檢測前儲存所有與時間窗口相關的的數據。SDMS軟件還提供了自動硬盤飽和控制工具。

停止記錄，觸發滯后

當以下情況發生，系統會停止所有的記錄過程：

1. 主速度返回值低于閾值。這個事件還會停止其他組的原始數據記錄。當相關綜合信道返回值低于閾值，分組原始數據停止記錄。

2. 用戶按下停止記錄按鈕(主界面子面板)

SDMS處理

SDMS可以對水聽器和加速度計原始數據進行FFT分析。對于水聽器信號，原始數據將根據應用頻譜分析來完成實時自身噪音計算、一個瀑布圖，以及1/3倍頻程圖形顯示的時頻頻譜關系。同樣的，系統會持續對每一個傳感器進行加速度計FFT計算。

SDMS數據檢索及SDMS預警記錄

通過歷史子面板，用戶可以瀏覽以往的測試過程來找到已記錄的TDMS文件。通過可視化記錄子面板，用戶可以看到所有預警事件和系統事件的歷史列表?？梢酝ㄟ^篩選選項進行日期篩選，開始時間和結束時間篩選，以及事件類型篩選。

結論

NI硬件和LabVIEW軟件的結合使得我們團隊即便在面對客戶復雜要求的情況下，也能夠在短期內開發應用程序?？傮w上，我們用了五個月的時間對軟件應用程序進行人工設計，開發和測試。尤其是在起步階段，我們還利用圖形化編程對程序進行測試，輕松完成調試。

圖3：水聽器子面板和可視化瀑布圖