鄧偉，邢慶龍

（中國人民解放軍91388部隊93分隊，廣東湛江524022）

基于虛擬儀器海上通信系統(tǒng)設計

鄧偉，邢慶龍

（中國人民解放軍91388部隊93分隊，廣東湛江524022）

為了滿足海上通信系統(tǒng)特點的要求，系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，通過數(shù)據(jù)交換統(tǒng)一集中管理有效地解決了大容量數(shù)據(jù)無線傳輸難題?；谄ヅ錇V波復合信號檢測技術(shù)有效地抑制了水聲信號多途、混響對海上通信系統(tǒng)的影響，降低了水聲信號瞬變引起的信號分裂導致系統(tǒng)漏報、漏發(fā)概率。基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的海上通信系統(tǒng)不僅開發(fā)周期短，而且便于系統(tǒng)進行二次技術(shù)升級和功能擴展等優(yōu)點。

海上通信系統(tǒng)；匹配濾波器；復合檢測技術(shù)；同步采樣；通信傳輸協(xié)議

0 引言

水聲通信距離由于受到媒介的衰減傳輸距離十分有限，在海上為了實現(xiàn)遠距離通信將水聲信號進行編碼通過無線技術(shù)進行通信，這樣通信距離就會得到大大提升。為了實現(xiàn)遠程控制水下設備，在水下傳輸距離不能滿足要求的情況下就會采用這種方案來解決遠距離傳輸問題。為了保證通信的實時性，將水下數(shù)據(jù)進行預處理后把需要的結(jié)果傳輸?shù)浇K端，在無線通信時需要同步采樣、建立以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，設計中提出基于各種接口管理等方法進行綜合處理。對上述問題進行針對性優(yōu)化設計，保證了實時性、可靠性要求。

1 海上通信系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，海上通信系統(tǒng)由浮體部分和控制母船兩部分組成。浮體部分主要由保證通信用的無線數(shù)傳機、同步GPS接收機、PC104接口管理、水下部分和電源部分組成。控制平臺由顯控計算機和無線數(shù)傳機組成。控制計算機根據(jù)來自無線輸出機、GPS接收機、水下的各種信息，輸出控制信號由無線數(shù)傳機發(fā)送控制水下部分的工作狀態(tài)。

圖1 海上通信系統(tǒng)組成框圖

2 基于NI-Compact RIO平臺開發(fā)技術(shù)

NI-Compact RIO可編程自動化控制器（PAC）為海上通信系統(tǒng)提供了所需的高性能與高可靠性，Compact RIO提供了一個開放的嵌入式架構(gòu)，包括內(nèi)置的嵌入式控制器、實時操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅固且可重配置的I/O模塊，因此開發(fā)的系統(tǒng)可以快速地生成同步的模擬和數(shù)字信號并進行處理。由于采用嵌入式設計，整個系統(tǒng)具備低功耗的優(yōu)點，保證了浮體在采用鋰電池供電的情況下連續(xù)長時間工作，提高了系統(tǒng)可靠性。FPGA可重復配置I/O（RIO）硬件設備特性[1]，提高了系統(tǒng)的靈活性，便于系統(tǒng)進行二次技術(shù)開發(fā)和功能擴展。由于NI-Compact RIO系統(tǒng)和LabVIEW開發(fā)環(huán)境之間的無縫連接，可以輕松地通過圖形化開發(fā)環(huán)境訪問底層硬件，快速建立嵌入式系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集應用，可大大縮短項目設計開發(fā)周期，提高開發(fā)人員的工作效率。

3 基于無線通信同步采樣和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)

本系統(tǒng)硬件由信號實時處理模塊、以太網(wǎng)交換機、PC104接口管理模塊、GPS系統(tǒng)、無線數(shù)傳機系統(tǒng)[2]、顯控計算機六個部分組成。信號實時處理模塊由FPGA和4塊不同的板卡（型號分別為NI-9215，NI-9215，NI-9263，NI-9401）組成，硬件所有配置信息都在NI-Compact RIO的RT系統(tǒng)上顯示。cRIO-9401，cRIO-9215，cRIO-9263等模塊的數(shù)據(jù)采集處理在FPGA上完成，采集到的數(shù)據(jù)通過DMA傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進行降采樣、濾波等預處理，圖2為系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)底層硬件結(jié)構(gòu)框圖

不同數(shù)據(jù)采集終端的具體硬件配置都不一樣，但是硬件模塊類型一致。除了嵌入式控制器cRIO-9022，還有兩組數(shù)據(jù)采集卡NI-9215，每個采集終端都配有cRIO-9401和cRIO-9215。數(shù)據(jù)采集部分又可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集引擎、數(shù)據(jù)存儲引擎、GPS時間引擎。通信部分則由數(shù)據(jù)接口、控制接口和調(diào)試接口組成。在NI-Compact RIO中實現(xiàn)時，這些不同的引擎和接口都是獨立運行的VI，通過上層的動態(tài)調(diào)用來執(zhí)行，這樣可利用NI-Compact RIO多線程的特性，避免各個模塊之間的相互阻塞干擾，這些所有的引擎和接口都在cRIO-9022的RT上實現(xiàn)。ENET-485/4模塊對串口信號采集，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到RT上的數(shù)據(jù)采集引擎進行預處理。

為了滿足海上通信系統(tǒng)實時轉(zhuǎn)發(fā)的要求，數(shù)據(jù)采集終端需要對水下信號進行精確的時間同步，系統(tǒng)要求GPS同步采集，對于海上通信系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集終端距離船載顯控計算機在幾千米甚至幾十千米以上，利用基于cRIO-9022的GPS同步采集方案可以很好地解決遠距離終端同步的難題，具體而言，為數(shù)據(jù)采集終端配置一個GPS接收機，它可以獲取已與衛(wèi)星同步的PPS秒脈沖信號和GPS絕對時間信號，并送至對應采集終端的cRIO-9401的串口進行同步、計數(shù)和采集。

4 基于PC104 接口管理技術(shù)

在技術(shù)開發(fā)時為了便于統(tǒng)一管理，水下信號處理結(jié)果存盤、上傳及與上位機通信等事件都在PC104上實現(xiàn)。PC104集中管理上位機和下位機之間信號傳輸、GPS信號同步采集、無線數(shù)傳機通信，并在默認情況下負責將接收到的實時原始數(shù)據(jù)保存，事后可通過網(wǎng)口導出，以便對其進行事后處理分析。

為了滿足海上通信系統(tǒng)需求，建立了適合本系統(tǒng)的通信傳輸協(xié)議技術(shù)[3]。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠的連接。TCP協(xié)議能為應用程序提供可靠的通信連接，使一臺計算機發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往網(wǎng)絡上的其他計算機，對可靠性要求高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)往往使用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

UDP協(xié)議（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）是與TCP相對應的協(xié)議。它是面向非連接的協(xié)議，它不與對方建立連接，而是直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送過去。TCP和UDP之間的區(qū)別如表1所示。

表1 TCP和UDP之間的區(qū)別

根據(jù)實際工作通信需要建立了表1的通信傳輸協(xié)議來滿足下位機信號處理模塊NI-Compact RIO、接口管理模塊PC104及母船上顯控臺PC機之間的通信需求，通過優(yōu)化它們的優(yōu)先級和權(quán)限來保證它們之間數(shù)據(jù)通信的可靠性和實時性。圖3為通信傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)流向圖。

圖3 通信傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)流向圖

5 復合檢測技術(shù)

海上通信系統(tǒng)主要是解決水下通信距離受限問題，水聲信號具有自身特點，它瞬態(tài)性強、持續(xù)時間短、具有突發(fā)性和不穩(wěn)定等特點，在實際的測量中存在多種噪聲源的干擾，信噪比較低，單一的檢測方法往往不能滿足檢測要求。工程中綜合實際情況[2]運用了匹配濾波技術(shù)、軟門限處理技術(shù)和抗信號分裂處理技術(shù)等先進的信號處理技術(shù)[4-7]，解決了海上通信系統(tǒng)實際工作過程中信號多途、混響、分裂、漏報、漏發(fā)等問題，起到了很好的效果。圖4是工程中基于NI-Compact RIO設計的匹配濾波器框圖。

6 結(jié)語

基于NI-Compact RIO平臺開發(fā)海上通信系統(tǒng)是一種全新的設計方法，因為NI-Compact RIO平臺開發(fā)的靈活性，大大縮短了項目開發(fā)周期，F(xiàn)PGA可重復配置I/O（RIO）硬件設備，便于系統(tǒng)進行二次技術(shù)開發(fā)和功能擴展。本系統(tǒng)中應用的幾項關(guān)鍵性設計技術(shù)很好地解決了海上通信系統(tǒng)對傳統(tǒng)的水下通信提出的需求，也可以為后續(xù)海上通信系統(tǒng)設計提供借鑒。

圖4 匹配濾波器框圖

[1]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]楊日杰，高學強，韓建輝.現(xiàn)代水聲對抗技術(shù)與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3]劉瑩，卜雄洙.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和無線通信系統(tǒng)的開發(fā)[J].測控技術(shù)，2006，25（2）：22-23.

[4]鄺永明.基于LabVIEW多功能虛擬儀器的應用開發(fā)[J].廣西大學學報，2006，31（4）：340-343.

[5]汪偉利，張程源.一種基于LabVIEW的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].中國科技博覽，2012（34）：350-351.

[6]危淑平，擺玉龍，許國威.基于LabVIEW的自適應濾波器設計與研究[J].微計算機應用，2011，32（3）：12-17.

[7]羅偉棟，肖光華，方勇.基于LabVIEW的LMS自適應濾波器的設計及其應用[J].上海大學學報：自然科學版，2007，13（4）：457-460.

Design of maritime communication system based on virtual instrument

DENG Wei，XING Qinglong
（The 93 Detachment，Unit 91388 of PLA，Zhanjiang 524022，China）

To satisfy the characteristics requirement of the maritime communication system，the virtual instrument technology is adopted in the system.The problem of large capacity data wireless transmission was solved effectively by uniform centralized management of data exchange.The composite signal detection technology based on matched filtering can effectively restrain the influence of multi-path and reverberation of the underwater sound signal on the maritime communication system，and reduce the system′s false alarm rate and missing alarm rate due to signal splitting causing by the underwater acoustic signal transient.The developed maritime communication system based on virtual instrument technology has short development period，and is easy to proceed secondary technology upgrade and function extension.

maritime communication system；matched filter；composite detection technology；synchronous sampling；communication transport protocol

TN926-34

A

1004-373X（2015）23-0010-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.003

鄧偉（1980—），男，海南人，工程師，碩士。研究方向為水下目標聲特性研究和水聲信號數(shù)字處理技術(shù)。

2015-05-28