基于NI LabVIEW和Compact FieldPoint的水底爬行器

本文是对国家海洋技术学院开发的一组可在水下600米深海床执行采集任务的行进装置相应的情况做了简单的介绍。


挑战：为一台能够在深达600米的海床运行的水下行进装置搭建数据采集和控制系统。

解决方案： 使用NI LabVIEW, PXI Real-Time and Compact FieldPoint Real-Time Modules 开发系统。

使用产品：Compact FieldPoint, 数据采集, LabVIEW, LabVIEW Real-Time, PXI/CompactPCI

介绍

国家海洋技术学院开发了一组可在水下600米深海床执行采集任务的行进装置，该装置同时配备有剪切、采集以及运输物体的设备。装置从船只上投放，我们通过装置上的水下计算机控制所有的操作，计算机获取来自水下传感器的数据、通过远程数据连接接收来自船舱控制室电脑的指令并且自动和手动地控制行进装置上的设备输出。我们通过使用一个多种模式下的光纤连接来建立控制船和海底计算机的通讯。为了能够从行进装置上获取各种各样的信号，例如速度、方向和温度，我们用的是置于船舱控制室的用户界面屏幕。控制室单元从用户终端采集正确的控制输入数据，然后将这些数据传递解码到水下装置的系统上。为了操作更具灵活性，我们将水下装置与船舱控制室之间的通讯联络设计成TCP/IP协议方式的通讯（默认的通讯协议），如果TCP/IP协议无法进行通讯联络，系统自动转入串行通讯。当TCP/IP通讯联络恢复时，系统又会切回。系统的灵活性还在于如果船舱控制室和水下行进装置在一定时间内没有任何通讯联络，这个模块会将装置维持在用户特定的安全位置直至通讯恢复正常。

系统描述

我们运用下列技术开发了水下行进装置的数据采集和控制系统：

两台工业计算机运行基于LabVIEW的应用程序，为控制船上的用户提供用户界面
PXI Real-Time系统包括一台PXI-1002机箱和一台PXI-8176RT嵌入式控制器
用PXI-6031多功能DAQ硬件设备连接到控制台信号
用PXI-6508数字输入输出硬件连接到控制手柄正常。
在行进装置上的紧凑型嵌入式系统是基于Compact FieldPoint的实时系统，包括下列：

cFP-2020RT 嵌入式控制器
cFP-AI-110类比输入模块
cFP-FTD-122 RTD 输入模块
cFP-AO-210 类比输入模块
cFP-DO-403 数字输出模块
水下行进装置包括下列：

两条水力驱动履带使得装置可以运动
用于松开海床上物体的剪刀
机械手臂使得剪刀向三个不同转向运动
泥浆泵和管道使得挖到的沙子运送到控制船· 推进器维持装置的稳定运动，不收海流影响
水力电源单元
两台摄像机和它们的灯光设备，用来观察周边情况和剪刀运动
感应头用来容纳数据采集硬件从而来自行进装置及周边的各种信号并控制装置的运动
230伏特交流电， 3KVA电缆线驱动泥浆泵、推进器控制和其他电路设备
行进装置控制和数据采集

我们在水下行进装置控制系统研发过程中选用NI Compact FieldPoint系统是因为它的坚固性和紧凑性。我们实施了一组 Compact FieldPoint 系统，包括有运行LabVIEW实时程序高端512兆记忆体的嵌入式控制器cFP-2020，温度输入设备 cFP-RTD-122， 模拟输入设备cFP-AI-110， 控制驱动以及通过提供PID输出控制方向的设备cFP-AO-210， 数字输入设备 cFP-DO-403和速度输入设备cFP-CTR-502。我们运用Compact FieldPoint实时控制器和 Compact FieldPoint I/O模块控制所有行进装置的构件。我们从船舱控制室将行进装置连同cFP模块投放到深达600米的海床。

PXI系统包括PXI-1002机箱和PXI-8176嵌入式控制器，运行的是LabVIEW实时应用程序,以及从用户控制面板获取数字输入的PXI-6508, 用于控制面板模拟输入的PXI- 6031E。

行进装置控制模块

这部分是运行行进装置实时Compact FieldPoint控制器的主控制器程序。我们在LabVIEW实时（Real-Time）中编写这个模块。这个模块持续从各个传感器的感应头上采集数据并与船舱控制室内的PXI 实时控制器进行双向通讯。PXI 和 Compact FieldPoint实时控制器之间的通讯是通过TCP/IP协议来进行的。当TCP/IP无法运行的时候，通讯将切换到串行模式。

我们特别设计这样的模块程序，当它从一个PXI实时控制器接收任何指令，模块在激活相应的Compact FieldPoint模块输出前会检查用户设定的严格互锁条件。当船只和水下行进装置没有通讯联络的时候，我们在Compact FieldPoint存储器中维护互相独立的数据日志、事件日志和错误日志文档。一旦PXI和Compact FieldPoint之间的通讯联络恢复，我们把所存储的数据上载到PXI。如果船舱控制室和水下行进装置在一定时间内没有任何通讯联络，这个模块会将装置引向安全位置。这个模块的运行要求运用PID算法来控制水下行进装置的方向、速度和自动操作模式下两条履带的滑动。

通讯模块

这个模块是所有模块之间通讯联络的核心 – 包括主从电脑之间、PXI 控制器和 Compact FieldPoint 控制器之间以及主电脑和PXI控制器之间。大多数通讯联络是基于TCP/IP协议的。在PXI控制器和Compact FieldPoint控制器之间还有额外的内建通讯。 TCP/IP通讯是默认的通讯协议，但如果这种通讯方式出现了错误，模块将自动切换到串行（RS232）模式，而这样做不会失去与控制船的联系。模块将不停地核对TCP/IP通讯是否重新建立。凭借高速数据传送，一旦TCP/IP开始工作，通讯方式又将切换回TCP/IP，因为它在数据传输方面有着高的速度。这个模块负责自动地在TCP/IP和串行模式的通讯方式间进行切换。

数据记录模块

数据记录模块运行在主电脑中、PXI控制器里和Compact FieldPoint控制器里。主电脑中存储有每一天的操作数据。PXI控制器中有所有的数据作为备份。Compact FieldPoint中存储的是当Compact FieldPoint控制器和PXI控制器之间没有通讯联络时的所有数据。当它们之间的通讯重新建立时，被存储在Compact FieldPoint控制器中的文档即被转移到PXI 控制器中。我们维护相互独立的数据、误差记录，同时存档事件的日志文件。数据记录中有所有来自行进装置传感器的数据。误差记录中有操作过程中的所有错误。事件日志则是记录了所有的事件，比如在用户在船舱控制室或者主从界面的控制动作，相应的水下行进装置的动作，包括动作事件发生所对应的时间。系统按照用户设定的记录速率进行数据记录。通过查看模块，用户可以随时调阅之前所存储的数据。

结论

我们用NI虚拟仪器技术的概念构建水下行进装置的数据采集和控制系统，使用了包括LabVIEW、 PXI实时（Real-Time）以及 Compact FieldPoint Real-Time的技术,通过最高效的应用程序完成数据采集和控制系统的构建。该系统不仅负责获取来自水下 600米深的海床处行进装置的信号，而且还负责控制行进装置本身。最终，我们缩短了开发的时间,并且还具备了应付未来技术不断改进升级的能力。