基于虚拟仪器技术的便携式水声监测仪设计∗

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

随着现代科学技术的不断进步，数据的采集和分析已经在工业生产和科学研究方面有了极大的应用。普通的数据采集一般由单片机和硬件采集电路来实现，然而单片机采集信号存在编程复杂、使用不便等缺点，在实际的应用中效率不高。随着虚拟仪器技术和NI采集卡的广泛发展，基于LabVIEW技术的数据采集系统被人们广泛应用，该系统大大提高了工作效率，使用便捷，人机界面友好，操作方便。本文利用USB-4431采集卡、虚拟仪器软件（LaBVIEW）及主控计算机，设计了一个便携式水声监测仪系统，通过改变主控计算机上软件的前面板工作参数，就能够改变系统的功能，从而实现了对水声信号的高速采样、存储及分析。

2 便携式水声监测仪硬件设计

整个便携式水声监测仪由水听器、USB-4431采集卡、PC机、数据采集与处理软件组成。采集卡模拟信号输入通道上的水听器在同步信号的触发下对信号进行采集，上位机软件在采集的同时对信号进行存储及处理。便携式水声监测仪的核心是USB-4431采集卡，采集卡的最高采样率为204kS/s;具有同步触发功能。整个系统的功能框图如图1所示。

图1 便携式水声监测仪流程框图

3 便携式水声监测仪软件设计

3.1 程序设计

系统主要由信号采集、存储及信号分析等部分组成。打开程序软件前，首先设置采集卡USB-4431的接收通道及采样率，设置完毕后，打开系统软件，系统开始采集信号并进行存储分析，在前面板会看到实时采集到的的系统信号以及检测到的信号。

3.2 信号采集控制模块

LabVIEW信号采集程序的编写主要包含通道设置、采样率设置、触发设置等。图2是信号采集模块程序框图。

1）通道设置主要包括输入通道和输出通道设置以及通道名称等。

2）采样率设置一般是被采集信号频率的两倍，本系统的采样率为100kHz。

3）触发设置选择外同步触发，触发周期为2s。

3.3 信号保存

信号的存储是为了将采集到的信号进行保存，用于对信号进行分析，软件中文件的存储格式为.tdms。

图3 便携式水声检测仪信号存储模块

3.4 信号分析处理模块

信号的处理分析模块主要是对采集到的信号进行时域及频域分析。程序的前面板完成人机交互的操作，程序框图主要完成功能设计，本系统的信号分析主要是通过滤波器对信号滤波，对信号取包络完成信号的检测，进而得到被测信号的时延信息，实现对被测信号的测量。

图4 便携式水声检测仪信号处理分析模块

4 系统测试与实验

实验室利用多功能信号发生器模拟目标生成10kHz、周期是2s、脉宽为20ms的单频信号,通过水听器将信号发射出来，模拟被测目标，采集卡的采样率为100kHz，在外部同步信号的触发下对被测信号进行采集，上位机程序对信号进行存储及分析处理，检测出被测目标的位置信息。图5为检测到的信号波形图。

图5 程序设计的前面板

5 结语

本文对在实验室对便携式水声检测仪系统进行了测试，对系统的各个功能进行了深入研究，达到了一定的实验目的。系统主界面采用模块化程序设计，通过搭建各个模块完成系统的应用，整个系通操作方便，采集卡的采集效率高，数据没有丢失，能够实时看到采集的信号，在实验室调试设备简单便捷，程序可深层次开发，在后续的科学研究中能够起到一定的作用。