（信号与信息处理专业论文）基于vc和labview的网位仪显控软件设计.pdf

基于v c 和l a b v i e w 的网位仪显控软件设计 摘要 网位仪是一种先进的助渔设备，它可以探测出鱼网和网板的位置、网口的形状、鱼 网相对于海底和水面的位置以及网口前面、上、下的鱼群等信息，这些信息可以直接用 于指导捕鱼，降低盲目性，提高捕鱼效率。 人机显控界面是网位仪系统中的一个重要组成部分，它不仅用来设置整个系统的工 作参数和工作方式，显示给用户一个丰富直观的探测效果，而且可以存储多种探测结果 便于后续科学研究。本文的主要工作就是基于v c + + 软件，为国内首台多方位、多波束 扫描网位仪系统设计实现人机显控界面。主要研究内容包括：主机与水下网位仪网络通 信实现，多波束接收数据的实时解包，多窗口多信息的实时显示，基于o d b c 数据库 的探测结果实时存储，异常数据实时处理，以及探测结果回放功能实现等。 整个网位仪软、硬件系统经过实验室联调、水池测试后，在清江水域进行了外场试 验，充分验证了本文所实现的人机显控晃面具有功能丰富、显示美观、工作稳定等优点， 达到了预期设计要求。 在上述工作的基础上，为了使网位仪系统的显控风格更接近仪器仪表，用户操作时 更临近真实环境，本文基于v c + + 所实现的显控平台，进一步采用l a b v i e w 进行了设 计，并利用湖上试验数据的回放验证了软件的主要功能。 关键词：网位仪；人机显控界面；v c + + ；l a b v i e w 基于v c 和l a b v i e w 的网位仪显控软件设计 a bs t r a c t t r a w ls o n a ri sak i n do fa d v a n c e de q u i p m e n tf o rh e l pf i s l l i n ga i d i tc a nd e t e c tt h e p o s i t i o no ff i s h n e ta n ds h e e t ，t h es h 印eo ft h en e tm o u m ， t h er e l a t i v ep o s i t i o no ff i s h i n gn e t s f o rt h ew a t e rs u r f a c e 、s u b n l a r i n e i ta l s oc a nd e t e c tt h es h o a li n f 0 n 1 1 a t i o no fn e tm o u t h sf 的n t 、 u p 、d o w n t h ei n f o 肌a t i o nc a i lb ed i r e c t l y 印p l i e dt og u i d ef i s h i n g ，r e d u c eb i n d n e s sa i l d i m p r o v em ee m c i e n c yo ff i s h i n g h m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ei sai m p o r t a n tc o m p o s i t i o no ft h et a w ls o n a rs y s t e m i tn o t o n l yu s e dt os e tu pt h ep a u r 锄e t e r sa n dt h ew o r k i n gw a y so ft h ew h o l es y s t e mt h a tg i v eu s e r s ar i c hi m u i t i v ed e t e c t i o ne f r e c t ，b u ta l s oc a ns t o r eav a r i e t yo fd e t e c t i n gr e s u l t ，、v h i c ha d v a n c e d t ot h ef o l l o 谢n gs c i e n t i f i cr e s e a r c h t h ep a p e r sm a i nw o r ki sb a s e do nv c + + s o r w a r ed e s i g n a i l dr e a l i z eh u m a n c o m p u t e r ss h o wa 1 1 dc o n t r o li n t e r f a c ef o rt r a w ls o n a rs y s t e mw h i c hi s t h ef i r s tm u l t i o r i e n t a t i o n 、m u l t i - b e a ms c a n n i n gi nd o m e s t i c t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s i n c l u d e ：h o s tc o m p u t e ra n dt r a w ls o n a rs y s t e mr e a l i z en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，s o l v i n ga 1 1 d c a l c u l a t i n gt 1 1 ed a t ao fm u l t i b e a mi nr e a l t i m e ，i n f o n l l a t i o n sd i s p l a yi nm a n yw i n d o w si n r e a l - t i m e ，t h ee x p l o r e dd a t aa r es t o r a g e di nr e a l 一t i m eb a s e do n0 d b c d a t a b a s e ，a b n o n i l a ld a t a p r o c e s s i n gi nr e a l t i m e ，a sw e u a st h ed e t e c t e dr e s u l t sp l a y b a c k ，a i l ds oo n a r e rm el a ba l i g m n e n t i n ga n dt h ep o o l t e s t i n g ，t r a w ls o n a rs y s t e mh a v ee x p e r i m e n t e d i nq i n 舀i a i l gr i v e ri nt h eo u t d o o r i tm l l yv e r i f i e dt h eh u n l a n - c o m p u t e r ss h o wa n dc o n 臼o l i n t e r f a c ef o rt r a w ls o n a rs y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g e s ：r i c h c i o n ，b e a u t i 如ld i s p l a y e da i l d s t a b l ew o r k i tm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k s i no r d e rt om a k et h es h o wa n dc o n t r o l i n t e r f a c ef o r1 r a w l s o n a rs y s t e mm o r ec l o s et ot h ei n s t m m e n t ，u s e r sf e e lt h ei n t e r f a c em o r en e a rt ot h er e a l e n v i r o m e n tw h e no p e r a t i n go n ，t h e p a p e rb a s e d o nl a b v i e ws o r w a r ed e s i g n e dm e h u i l l a n - c o m p u t e r ss h o wa i l dc o n t r o l i n t e r f a c ea r e rv c + + a n dr e p l a yt h et e s td a t ai nt h el a k e k e yw o r d s ：1 r a w ls o n a rs y s t e m ；h u m a n c o m p u t e r ss h o wa n dc o n t r o li n t e r f a c e ；v c + + ； l a b v i e w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会的进步，国民经济的发展，陆地资源的开发殆尽，人们对海洋资源的需求 不断增加，其中对渔业资源的开发也越来越受到重视。世界海洋渔业发展势头逐年呈上 升趋势，而我国也将海洋渔业的发展作为海洋战略的一个重要组成部分。发展海洋渔业 不仅可以满足食物供给需求，同时可以减轻我国近海渔业资源压力，保护和维护我国远 洋渔业权益，增强我国远洋渔业的竞争力，所以发展海洋渔业意义重大”1 。 然而，海洋渔业环境艰苦，海上作业强度大，连续工作时间长，并且风险和成本都 极高，单单凭借渔民以往积累的经验在捕捞数量和质量上都远不足以与国外渔业发达的 国家相比较，所以我国海洋渔业总体上处于劣势地位。发展我国海洋渔业的重要途径之 一就是提高我国海洋渔业的捕捞效率。但是我国海洋渔业起步较晚，发展较慢，近些年 才有海洋渔船助渔设备，而且这些助渔设备基本上都是从国外进口的，不仅价钱昂贵， 还不适合我国渔业的国情，不仅不利于我国海洋渔业的竞争力，而且还使我国海洋渔业 很受限制。如果我国能够研制出具有自主知识产权的高水平助渔设备仪器来探测水下鱼 群分布、水下作业以及渔船的工作状态等，那么会大大地提高我国远洋的捕捞成功率和 作业效率。 网位仪是重要的助渔设备之一，它主要用于远洋拖网渔船，是深海捕鱼必备的助渔 探测设备，作业人员可以借助网位仪准确的探知拖网在水域中的状态，包括拖网网口打 开的程度，网口挡板是否打开、网口所在水域距离水面和水底的垂直距离，以及借助各 种传感器获取鱼网所处水域的深度、温度和网位仪的姿态等信息。这样就可以提醒作业 人员及时调整拖网的水中姿态，让拖网对准鱼群，提高捕鱼量。 近些年，我国渔业部门使用的网位仪主要依赖于进口：如日本古野公司、美国 w e s m a r 公司等，不仅价格昂贵，而且使用维护成本很高，而国内虽然在最近几年有 些科研机构和高校对网位仪开展了研究，但是由于投入研发力量有限，研制出的网位仪 基本都是基于单波束的设备改造，其功能单一，性能不高，应用效果不是很好，所以在 国内的作业渔船上装备不多。因此，研制具有完全自主知识产权的新型数字高效网位仪 不仅可以满足国内需要，打破国外对网位仪的技术封锁，而且对于我国海洋渔业的发展 起到非常重要的作用。 在此背景下，中船重工7 1 0 所与哈尔滨工程大学在国家十一五“8 6 3 ”项目的支持 下，联合研制一种拥有自主知识产权的新型数字网位仪原理样机。本文的主要工作即是 为此网位仪系统设计多波束网位仪显控平台。 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 1 2 网位仪的发展状况 网位仪是一个对实时性要求很高的高新技术密集的助渔设备，最早研制成功的是 日本和挪威等从事渔业生产发达的国家，并且在远洋渔业生产活动中已经得到广泛的响 应【2 】o 网位仪工作原理示意图如图1 1 所示： 探测鱼网的位置、姿 态和网口的形状 p 监视网口鱼群入网景象 卜提醒您网内获鱼数量 监视鱼网附近海底形状 和网具深度 图1 1 网位仪工作原理示意图 网位仪系统框图如图1 2 所示： 妻鬟糟蘧备 ；- ! 一点童。j 图1 2 网位仪系统框图 我国最早使用的网位仪设备是9 0 年代从日本古野进口的n m 一8 5 0 a t i i 型网位仪，它 主要由三部分组成：水下探测发射器，潜水接收器和水上记录器【3 1 。 水下探测发射器通常装在网上，主要探测作业水域的一些常量信息，包括网深，进 网和网外的鱼群、水深、海底状况、以及网附近的水温等等4 1 。它由超声设备和装在防 2 第1 章绪论 水盒里的电池组成，超声设备主要由两个探测换能器及一个千赫兹发射换能器组成，这 两个探测换能器分别向水面和海底发射超声脉冲，而发射换能器则接收这两个探测换能 器的反射或散射信号并向接收机传送。 潜水接收器主要是接收来自探测发送器的声信号，并转化为电信号，通过电缆传送 给水上记录器。 水上记录器的主要作用是放大来自潜水接收器的电信号，把测量的数据记在记录纸 上。 近几年来，中国市场上多见为美国w e s m a r 公司的产品，主流产品有以下四种型 口【5 】【6 】【7 】 一 1 、t c s 3 8 0 图1 3t c s 3 8 0 网位仪 t c s 3 8 0 用于网位和鱼群的监视，流向流速和水位水温等测定，由于它的外形轻巧， 结构紧凑，并且经济实用，所以广泛的被应用于中小型拖网鱼群中。 2 、t c s 3 3 5 3 4 5 图1 4t c s 3 3 5 3 4 5 网位仪 t c s 3 3 5 3 4 5 是t c s 3 8 0 的改进型，用于探测鱼网的位置，姿态和网口的形状，也可 3 哈尔滨 - ：程大学硕士学位论文 监视网口鱼群的入网情况，提醒网内获取鱼数量，同时对鱼网附近海底情况和网具深度 进行实时监测。由于其小巧方便，一个人便可以独立进行安装，存放拆卸等操作。 3 、t c s 7 7 0 图1 5t c s 7 7 0 网位仪 t c s 7 7 0 是一种高温超声换能器，可以实时监控作业水域的水温、水深、网位流速、 渔获数量等。t c s 7 7 0 的特点是： ( 1 ) 考虑到作业水域的恶劣情况，探头设计坚固耐用，但是并没有牺牲小巧、重量 轻等优点做为代价，其探头一人可拿动。 ( 2 ) 1 2 种高分辨率显示画面，扫描区域角度范围是3 6 0 。，可进行不同方向的扫描， 全方位监控网口的整个图像。 4 、t c s 7 r 0 图1 6t c s 7 8 0 网位仪 t c s 7 8 0 主要用于大中型渔船的网位监视、鱼群监测、对水温水深等传感和网位流 速等传感进行监视。它的主要特点是： 4 第l 章绪论 ( 1 ) 操作更加简单，手柄操控结合使得t c s 7 8 0 比t c s 7 7 0 的处理能力更高，响应次 数更多、显示图像效果更好。 ( 2 ) 把t c s 7 8 0 接到兼容的视频渔探上，在屏幕上显示一条水深线代表网的位置， 调整网深，使其高度和渔探所示鱼群高度一致，增加捕鱼量。 ( 3 ) 随时重置拖网时间，当系统工作时，计时自动开始。 ( 4 ) 渔获传感器被触发，扬声器发出和传感器序号对应的声响，不需要看屏幕，就 知道哪个屏幕被传感器触发。 ( 5 ) 网位仪扫描区域角度范围是2 2 0 。，所以在扫描时，不用调整倾角，便可以观察 到网口的整个图像。 1 3 网位仪显控技术的发展状况 伴随着科技的发展、社会的进步，网位仪显控技术发生了明显的变革。从显示方 式上看，经历了由最初的实验记录纸到彩色显示界面的发展；从显示内容上看，经历了 从单窗口单波束显示到多窗口多波束多信息显示。图1 7 为7 0 年代的技术人员在旅大 水产公司6 0 6 号渔船上1 对日制n m 一8 5 0 a t 型网位仪进行实验的记录示意图。8 0 年代 早期，大连市渔业机械仪器研究所将已经装备在渔船上的探鱼仪改装成有线式网位仪系 统进行实验1 ，它能够及时调整网具，准群的监测鱼群，实验记录如图1 8 所示： ， i 、小r & 镬三 t i ： j 一 一 一一 一 蕊抵惫底l l 剐翩 l _ l i - 一 i “l i i ：j ”r r ti1 。“t l 1 1 、i ：霸o r 冈 图1 7 实验记录示意图图1 8 实验记录纸 这种记录纸式记录，采用多笔记录系统、湿式记录的方式进行记录8 1 ，所以容易褪 色并不适合保存。 目前，美国的w e s m a r 公司开发的一系列t c s 网位仪摒弃了用记录纸记录的落 后方式，借助计算机技术对海底信息进行更好的显示。它的显示画面丰富多彩，按照不 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同的色彩级别来分辨作业水域的实时情况，实现2 2 0 。网位扫描、前方扫描和垂直渔探 画面，图1 9 为t c s 7 8 0 网位仪显示界面7 1 。 图1 9t c s 7 8 0 网位仪显示界面 画面窗口分别是前视方向图像和分屏扫描图像。前视扫描可扫描网板、鱼群的位置， 监视鱼群是否能从网纲外面通过。分屏扫描图像可以同时显示网位扫描和垂直渔探画 面、网位扫描和前视扫描画面、前视扫描和垂直渔探画面。右侧提供了网位仪工作水域 的常量信息，这些画面和信息为用户提供了作业水域的清晰图像。 但是t c s 7 8 0 网位仪的分屏扫描只能同时显示两个方向的画面，这对于用户同时监 测鱼网相对于海底和水面的位置以及网前、上、下的鱼群等信息很不方便，并且网位扫 描的范围不足以全方位的覆盖水下信息。本论文所设计的网位仪显控平台在此基础上进 行了改进：( 1 ) 基于多窗口多信息的实时显示，让网位扫描、前视扫描、上、下渔探垂 6 第1 章绪论 直扫描的画面窗口同时显示在屏幕上，方便用户随时观测每个方向的信息。( 2 ) 网位扫 描的显示范围是3 6 0 。，覆盖观察范围更广。 1 4 论文的主要研究内容和安排 在详细调研了国外同类产品的功能及性能指标后，本项目论证并研发成功了国内首 台多方位、多波束扫描的网位仪原理样机，它具有探测范围广、分辨率高，功能丰富的 优点，能准确的探测鱼网和网板的位置、网口的形状、鱼网相对于海底和水面的位置以 及网口前面、上、下的鱼群等信息。 本文的主要研究内容是基于v c + + 软件为国内首台多方位、多波束的网位仪开发人 机显控界面，在整个网位仪软、硬件系统的实验室联调、水池测试、以及清江水域的外 场试验过程中，本论文所设计的人机显控界面功能丰富，显示美观和工作稳定等特点得 到了充分的验证和考核，达到了项目预期设计要求。在上述工作的基础上，为了使网位 仪系统的显控风格更接近仪器仪表，用户操作时更临近真实环境，本文基于v c + + 软件 所实现的显控平台，进一步采用l a b v i e w 软件进行了设计。 全文的章节安排如下： 第1 章首先阐述了课题背景、网位仪的发展历史及现状。接着从网位仪显控平台 的需求出发，对比国外网位仪的显控平台，对其部分显控功能做了改进。 第2 章介绍多波束网位仪的工作原理，阐述了网位仪系统的功能组成及每一部分 的作用，根据显控平台的功能需求确定了多波束网位仪显控软件设计方案。提出了全方 位、多视角的显示思路。 第3 章基于v c + + 软件对网位仪显控平台进行设计，实现的主要功能模块包括： 主机与水下网位仪网络通信的实现，多波束接收数据的实时解包，多窗口多信息的实时 显示，探测结果的实时存储，异常数据的实时处理，探测结果功能回放等。 第4 章为了使网位仪系统的显控风格更接近仪器仪表，用户操作时更临近真实环 境，本论文进一步采用l a b v i e w 软件设计了显控平台，并对探测结果进行数据回放等。 第5 章网位仪显控平台试验考核，利用实验室联调试验、水池试验以及清江水域 外场试验考核了基于v c + + 软件实现的网位仪显控平台，并利用数据回放功能考核了基 于l a b v i e w 软件实现的显控平台。验证了整体论文工作的有效性。 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多波束网位仪显控软件方案论证 本章从多波束网位仪显控软件的方案需求出发，介绍了多波束网位仪的工作原理以 及网位仪系统的各部分组成，通过多波束网位仪系统的功能需求，确定了网位仪显控平 台的功能需求，并采用模块化思想为显控平台设计出一套完整的显控方案。 2 1 多波束网位仪工作原理 网位仪主要是利用声波在周围目标上产生的反射或散射回波来探测目标并获取目 标信息p 1 。常见的目标包括：水面、水底、网板、网口、鱼群等，感兴趣的目标信息主 要包括：目标方位、目标距离以及目标强度。换能器向水中多个方向发射探测声波，目 标产生的回波信号被接收并经过一系列处理后，显示在屏幕上，通过恰当的显示可以直 接观察到目标信息，从而指导作业人员分析作业水域的实时情况，进行合理的作业。 但国内传统的网位仪都是基于单波束发射的，只能探测网相对于网位仪某一方向的 水域目标信息，功能单一，性能不高，精度较低，已经落后于渔业发展需求。为了改进 网位仪性能，本系统采用了多波束扫描探测技术。多波束网位仪和单波束网位仪的原理 从本质上说没什么区别，只是对于多波束系统来说，其发射和接收换能器是由多个换能 器构成的阵列，可以向空间多个方向发射探测波束，也可以通过波束形成方法区分来自 空间不同方向的目标。而单波束网位仪这只能探测出网相对于网位仪某一方向的水域 情况，对于空间内目标不能形成无泄漏探测。 多波束和单波束工作模式相比，具有以下优点u “： ( 1 ) 对空间目标无遗漏、全覆盖测量； ( 2 ) 具有高分辨率，高精度等特点； ( 3 ) 一次可以探测多个方位，获得多个探测信息，提高了探测效率； 因此相比于单波束网位仪，多波束网位仪性能更优、应用面更广。也正因此， 研制多波束网位仪是一种必然趋势。 2 2 多波束网位仪系统功能需求及组成 多波束网位仪系统依据当前设置的工作模式( 发射信号脉宽、功率) 、探测距离等参 数分别向四个扇面( 向前、向上、圆环、向下) 发射探测声波，把经过系统处理后的回波 信号强度显示在主机( p c 机) 上，用户通过显控平台掌握作业水域鱼网周围目标的方位、 距离和强度信息，不仅如此，借助不同功能的传感器，还可以及时获知此时此刻作业水 域的水温、水深以及网位仪的姿态等信息。这些信息可以帮助指导捕鱼，提高捕鱼效率。 图2 1 为网位仪系统主要的功能需求： 图2 1 网位仪系统功能需求 本项目研制的多波束网位仪由水上( 干端) 和水下( 湿端) 两个分机组成，水上分机主 要指运行显控软件系统的计算机，其主要功能包括：根据实际情况装订工作参数并控制 水下分机工作、接收水下探测结果并合理显示在屏幕上、以及在计算机中对探测结果进 行实时存储。水下分机主要包括五个模块：电源电路、多通道信号产生及发射电路、多 通道接收与调理电路、信号采集与处理电路、以及完成不同探测需求的多个换能器阵列。 多波束网位仪系统整体功能框图如下图2 2 所示： 图2 2 多波束网位仪整体功能框图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 电源电路 电源电路的作用是为水下电子舱中的其它电路，包括多通道信号产生及发射电路、 多通道接收与调理电路、以及信号采集与处理电路供电。其输入为2 4 v d c ，来自于水 上电源转接盒( 转接盒内有一个2 2 0 v a c 转化为2 4 v d c 6 5 a 的电源模块) ，输出电压类型 包括1 2 v d c 、5 v d c 、3 3 v d c 等。将不同类型的电压传输至水下电子舱内的其它模 块分电路，保证各个部分正常工作。 2 2 2 多通道信号产生及发射电路 多通道信号产生及发射电路的作用是接收显控软件设定的工作参数，产生不同脉 宽、不同功率的多通道探测波形，在信号采集与处理电路提供系统同步信号的控制下， 按照一定的顺序依次产生系统所需的探测波形，并通过多通道发射机驱动多通道换能器 阵列向水中辐射探测声波。在本次多波束网位仪系统中发射功率设定为“弱 、“较弱”、 “较强、“强 四个量程；脉宽设定为“0 5 m s 、“l m s ”、“2 m s ”、“4 m s ”四档。 2 2 3 多通道接收与调理电路 多通道接收与调理电路的作用是对水中目标回波信号进行滤波、固定放大、以及时 变增益放大等预处理，并将处理后的模拟信号送至后级信号采集与处理电路进行采集处 理。 2 2 4 信号采集与处理电路 此电路是多波束网位仪系统的核心，其功能主要包括以下几个方面：( 1 ) 产生整个 系统工作的同步信号；( 2 ) 产生多通道接收与调理电路所需的时变增益t v g 码；( 3 ) 对多 通道接收信号进行采集；( 4 ) 对采样信号进行滤波、正交变化以及数字波束形成等信号 处理；( 5 ) 读取温度、压力、姿态等传感器输出；( 6 ) 通过网络与水面控制主机进行通信， 接收工作参数、上传探测结果等。电路采用f p g a + a r m 的双处理器结构完成上述功能 要求。 2 2 5 换能器阵列 根据本多波束网位仪的功能需求，系统共包括四组换能器，其中，两组分别是探测 水面和水底的单通道换能器，第三组是探测前方网板和鱼群信息的多通道平面换能器阵 列，第四组是探测网口形状的收、发分置圆环换能器阵列。 2 2 6 多波束网位仪显控主机 多波束网位仪显控主机在系统工作之前设置整个系统的工作参数和工作方式( 控制 多通道信号产生及发射电路的发射脉宽、功率和探测距离) ，并且在屏幕上显示回波信 l o 第2 章多波束网位仪显控软件方案论证 号处理后的结果，方便观察作业水域鱼网和网板的位置、网口的形状，鱼网相对于海底 和水面的位置以及网口前面、上、下的鱼群等实时信息。 2 3 网位仪显控平台的功能需求分析及方案设计 网位仪显控平台作为网位仪系统一个重要的组成部分，它是整个系统和用户之间进 行信息交换的媒介，所以显控平台的设计质量直接影响到整个系统性能的展现。在显控 平台设计中，设计者只有详细的分析整个系统的功能需求才能选择合理的方案，设计出 良好的人机交互界面”“。 2 3 1 网位仪显控平台的功能需求 该显控平台一方面负责控制系统的工作方式、以此来控制下位机工作；另一方面负 责显示四个探测扇面( 向前，向上，圆环和向下) 内目标的方位和强度等信息。所以从系 统角度出发，网位仪显控平台不仅要对硬件设备进行控制，与此同时，更要实时处理回 波信号并显示目标信息；从用户的角度出发，显控平台需要实时的把探测的回波强度信 息及时准确的反映给用户，提供一个友好的界面。根据这两方面的考虑，本多波束网位 仪的详细显控需求如下： ( 1 ) 多窗口、多模式显示画面：四个窗口分别显示四个探测扇面( 向前、向上、圆环、 向下) 内不同波束方向上的目标信息；两种显示模式：实时显示强度信息和历史值显示 强度信息。 ( 2 ) 实时显示作业水域周围的信息：包括水温、水深、网位仪姿态等； ( 3 ) 随时设置系统的工作参数、控制系统工作； ( 4 ) 发送控制命令和系统参数，与下位机交换信息； ( 5 ) 提供数据存储功能，并可对探测结果进行回放； 2 3 2 网位仪显控平台的方案设计 传统的单波束网位仪只能探测作业水域某一方向的回波信号，通常只有一个显示画 面，用来显示探测信息。而多波束网位仪可同时探测不同扇面上多个波束方向的回波信 息，因此该网位仪显控平台采用了多窗口，多视角的显控方案，即把界面分割为不同的 窗口，不同方向的波束显示在不同的窗口中，实现全方位显示画面。 本项目研制的网位仪共有四个探测扇面：向前探测、向上探测、圆环探测和向下探 测，共计1 7 个接收波束。其中，前向探测扇面分别在2 5 0 、1 2 5 0 、o o 、+ 1 2 5 0 、+ 2 5 0 方向上形成5 个发射波束，并在每个发射波束的波束宽度范围内每隔2 5 0 对应形成5 个 接收波束，因此接收的向前波束为2 5 个，整个覆盖扇面为6 0 0 ；圆环探测分别在1 6 0 、 5 2 0 、8 8 0 、1 2 4 0 、1 6 0 0 、1 9 6 0 、2 3 2 0 、2 6 8 0 、3 0 4 0 、3 4 0 0 方向上发射1 0 个探测波束，并 在每个发射波束的波束宽度范围内每隔4 0 对应形成9 个接收波束，因此接收的波束为 1 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 9 0 个，整个覆盖扇面达到3 6 0 。；向上探测和向下探测分别发射单个探测波束，并相应 接收，每个方向波束的回波强度对应显示于各自的窗口内。另外，除了要实时显示这 1 7 个波束方向上的目标信息外，还要实时显示由温度传感器、压力传感器和姿态传感 器获取的探测作业水域的温度、深度等水文信息以及网口的姿态信息。 2 4 网位仪显控平台的整体结构及软件开发环境选择 对一个大系统进行设计时，常常把大系统分割成几个小系统，这些小的系统往往又 包括若干个子系统，这样，就把一个大的系统细分成了若干个子系统。这样的设计方法 不仅可以使各个子系统或子模块独立灵活，而且降低了设计的难度和复杂度”。 2 4 1 网位仪显控平台的整体结构 为了使显控软件平台结构清晰，本论文中，界面采用模块化管理思想，把显控软件 的设计分为显示模块和控制模块：显示模块主要包括网络通信的建立、接收信息解包， 多窗口多信息显示、探测结果存储、数据信息回放以及异常处理；控制模块包括工作模 式和参数的设置以及控制命令和系统参数的发送。网位仪显控平台的整体结构框图如图 2 3 所示：其中，每个子模块的功能简述如下： 图2 3 网位仪显控平台整体结构框图 1 2 ；二蝥兰型型些些墼篁堡些二一 网络通信的建立：采用t c p i p 的传输方式建立主机( p c 机) 和下位机之间的连接， 通过网络建立数据的传输与发送。 接收信息解包：接收来自水下分机( 湿端) 的回波信息，根据网络通信协议的约定， 对数据进行多波束解包处理。 多窗口信息显示：该模块包括图形信息显示和参数信息显示。图形信息显示即分别 在不同的窗口显示多波束解包处理后的数据；参数信息显示即在参数显示区显示网位仪 作业水域的温度、深度以及网位仪的姿态等信息。 探测结果存储：该模块对网位仪回波信号强度值进行实时二进制存储，并对温度、 深度以及网位仪的姿态等信息进行实时数据库存储，以便后续研究。 数据信息回放：读取试验数据并进行动态播放。 异常处理：由于用户操作不当或在非理想状态下因某种原因造成的实际情况与理想 情况的冲突，p c 机给予适当的补偿，对某些错误进行提醒或融合处理。 模式和参数设置：控制探测信号的脉宽、功率以及探测距离等参数来控制整个系统 的工作状态。 命令和系统参数发送：参数设置后通过网络通信与下位机进行信息交换且控制整个 系统开始工作。 2 4 2 开发环境选择。 本文先后采用了两种软件v c + + 和l a b v i e w 设计网位仪显控平台。v c + + 是 m i c r o s o r 公司开发的一种面向对象的编程系统，具有强大的可视化开发环境，利用c 和c + + 语言编程，它的功能十分强大，可自动生成m f c 应用程序框架，程序员可借助 此框架，轻松的开发出w i n d o w s 系统下的应用程序并且可以灵活方便的进行类管理卜“。 所以它是目前应用范围最广泛的软件平台之一，是面向计算机类比较专业的编程语言； l a b v i e w 是美国的n i 公司开发的编程语言，它是一种基于图形化编程语言( g 语言) 的 软件开发与测试平台，摒弃了传统语言编程的复杂性，面向非计算机类的电子工程师， 所以l a b v i e w 近年来应用也很广泛，发展迅速，它具有十分强大的图形化软件开发环 境，已经成为测试领域最有前途的软件开发平台之一。 本论文首先采用v c + + 做为网位仪显控软件的开发平台，实现网位仪的显控平台的 功能需求，在上述工作的基础上，为了使网位仪系统的显控风格更接近仪器仪表，界面 显示更加美观，进一步采用l a b v i e w 设计显控平台。 2 5 本章小结 本章首先介绍了多波束网位仪的工作原理，接着介绍了多波束网位仪各部分的功能 组成进而分析了系统对显控平台的功能需求，并有针对性的进行显控平台方案设计。本 哈尔滨工程大学硕士学位论文 论文按照网位仪系统的功能对整个显控平台进行模块化设计，并对每个子模块进行了简 单的介绍，为后续显控平台的设计奠定了基础。最后简单介绍了显控平台的两种开发环 境v c + + 和l a b v i e w 。 1 4 第3 章基于v c + + 的网位仪显控软件设计 鉴于c + + 语言u 是目前功能最强大、用途最广的计算机语言，并且对网络通信， 数据显示等有强大的支持，所以本章采用s u a lc + + 软件开发环境，详细的阐述网位仪 显控平台的各个子模块的设计与实现，本章主要的研究内容有网络通信的建立、接收数 据解包方法、强度信息显示、控制参数的设置与发送，数据信息的存储、数据回放以及 异常处理等。 3 1v c + + 概述 3 1 1v c + 十简介 v c + + 卜叫是一个功能十分强大的编程环境，核心是m f c 类库。m f c 建立在c 语言 w i n d o w s 应用程序编程接口( a p i ) 上，以c + + 语言格式封装了大量的w i n d o w s a p i 函数 ”“，代码用c c + + 来实现，同时v c + + 又是一种面向对象的程序设计语言，面向对象的 程序是由若干“对象”结合的有机体，每个对象都是一个程序，比如各种窗口、菜单、 按钮、对话框这些都是一个“对象”，因此，编写w i n d o w s 程序时，大量的工作是创建 对象并对其添加属性。在v c + + 面向对象开发应用程序时，主要有两种方法：( 1 ) 使用 w i n d o w s 中提供的大量的a p i 函数；( 2 ) 使用微软公司提供的m f c 类库卜。a p i 函数为 应用程序提供了大量的函数和数据结构定义，而m f c 封装了大量的a p i 函数库，八成 以上的a p i 函数在m f c 中都能得到实现，所以用户在使用m f c 时不必面对众多条目 的a p i 函数，直接使用m f c 框架即可。在v c + + m f c 中，w i n d o w s 应用程序的主框 架和界面主要凭借应用程序体系结构类和可视对象类为基础进行构造。 l 、应用程序体系结构类主要包括： ( 1 ) 命令相关类( c c m d e t ) ：主要是具有消息映射属性的基类，当需要一个新类 来处理消息时，可以直接从c c m d t a r g e t 派生出一个新类。 ( 2 ) 窗口应用程序类( c w i n a p p ) ：封装了初始化代码，运行代码和终止运行程序代码。 ( 3 ) 应用程序线程类( c w i n t h r e a d ) ：主要描述程序中的线程执行。 ( 4 ) 文档视图类：包括c d o c t e m p l a t e 类、c m u l t i d o c t e m p l a t e 类、c s i n g l e d o c t e m p l a t e 类、c d o c u m e n t 和c e w 。 2 、可视对象类主要包括： ( 1 ) 窗口类( c w n d ) ：它提供了m f c 中所有窗口类的基类 ( 2 ) 框架窗口类：包括c f r 锄e w n d 、c m d i f r a m e w n d 和c m d i c h i l d w n d 。 ( 3 ) 视图类：包括c e w 、c f o h n e w 、c l i s t l e w 和c e d i t e w 等。 ( 4 ) 对话框类：从c w n d 类中派生出来，包括模态对话框和非模态对话框的基类。 l5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 控件类：包括列表框、按钮、组合框、滚动条编辑框等控件。 3 1 2 采用v c + + 开发界面的优势 v c + + 中的m f c 类库以面向对象的方法封装了a p i 的函数库，根据用户要求可以 自动生成一个初步运行的程序框架。用户可在框架中根据应用程序需要的特殊功能为 自己添加代码。其中v c + + 中的a p p w i z a r d ( 应用程序工作向导) 帮助用户开始一个新的 程序，它帮助用户完成： ( 1 ) 创建新类：如对话框、分割窗口、文档等新类。 ( 2 ) 增加成员变量，并且为成员变量修改属性，初始化变量等。 ( 3 ) 建立映射消息，把用户接口对象以及消息和函数联系起来。 另外由于v c + + 做界面所占用的资源少，界面简洁，操作方便，并且功能强大，所 以被广泛的使用。 3 2 网位仪显控软件工作流程 多波束网位仪一共分为四个扇面探测，分别为向前探测、向上探测、圆环探测和向 下探测，共有1 7 个波束；另外还要采集由传感器探测作业水域获得的温度、深度以及 网位仪在水中姿态等水文参数( 文中称为常量信息) 。显控平台按照前、上、环、下、常 量信息的顺序，依次对接收的波束进行数据解包、成像、信息实时刷新显示、以及数据 存储和回放等操作。前向扇面内共发射5 个波束，接收波束覆盖角的范围是3 0 0 到+ 3 0 0 ， 每个发射波束覆盖角的范围是1 2 5 。，在每个发射波束扇面内形成5 个接收波束，由于 这5 个波束是依次发射，因此每次有5 个接收波束数据，本文把1 5 号波束做为向前探 测接收的波束号；上视方向和下视方向分别接收1 个垂直波束，把6 号波束和1 7 号波 束分别作为向上探测方向和向下探测方向接收的波束号；圆环方向共发射l o 个波束， 接收波束覆盖角的范围是3 6 0 0 ，每个发射波束覆盖角范围为3 6 0 ，在每个发射波束扇面 内形成9 个接收波束，由于这1 0 个波束是依次发射，因此每次有9 个接收波束数据， 本文把7 到1 6 号波束作为圆环探测接收的波束号。图形显示时，四个窗口分别显示四 个扇面的探测图形。界面进行实时刷新的机制为：后一个波束数据来临时，刷新前一波 束，当常量信息来临后，代表一个周期工作完毕。界面始终处于周期性动态监测过程之 中。 系统开始工作前，用户可在网位仪显控平台上为系统设定工作模式和工作参数，包 括探测信号脉宽和功率以及探测距离。当下位机接收到主机发出的命令后，开始循环工 作。对探测到的回波信号进行相关处理后，通过网络上传给p c 机，由p c 机把信息显 示在屏幕上。软件部分的显控机制流程如图3 1 所示： 1 6 图3 1 显控机制流程图 3 3 基于v c + + 的网位仪显控软件的设计与实现 本章将网位仪显控平台分为了显示和控制两大功能模块，显示模块主要包括网络通 信的实现，接收数据解包，多窗口多信息显示，探测结果存储，异常数据处理，以及数 据回放等子模块；控制部分包括参数字输入与设定和参数字发送两个子模块。本小节将 针对这些子模块的具体实现进行详细介绍。 3 3 1 网络通信模块 3 3 1 1 网络通信协议的选取 传输协议是网络通信的语言，旨在确保通信双方能够沟通无碍。而传输协议一般为 网络通信协议，如：t c p i p ，u d p ，a i 啦n c p 协议等。目前在网络传输中使用最广的是 t c p i p 协议和u d p 协议”。 t c p 和u d p 均是美国国防部设计的m “。t c p 是传输控制协议，它提供的是面向连 接，可靠的字节流服务，这是通过采用三次握手来实现的。第一次握手：建立连接时， 客户端发送s ) ，i l 包( s y n _ j ) 到服务器，并进入s l s e n d 状态，等待服务器确认；第二 次握手：服务器收到s y n 包，必须确认客户的s y n ( a c k _ j + 1 ) ，同时自己也发送一个 s y n 包( s y n 咄) ，即s y n + a c k 包，此时服务器进入s y nr e c v 状态；第三次握手： 客户端收到服务器的s 1 仆i + a c k 包，向服务器发送确认包a c k ( a c k = k + 1 ) ，此包发送完 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 毕，完成三次握手m u 1 。这三次握手，保证了数据有条不紊在通信双方问进行交换。 当t c p 提供超时重发时，数据仍保证从一端传送到另一端。 u d p 是用户数据报协议，它提供的是简单不可靠的面向数据报的传输协议。它不 保证数据能到达目的地并且没有超时重发等机制，所以它的传输速率很快刘“制。 本次多波束网位仪系统选择通信协议进行网络通信的时候应该考虑如下的因素： ( 1 ) 数据的可靠性：多波束网位仪作为一个集高精度探测，实时性显示为一体的复 杂声纳系统，对数据传输的可靠性要求很高，必须准确高效的接收回波强度数据方能在 显控软件上进行准确显示，从而更好的给用户提供指导。所以在此情况下，网络通信传 输中是不允许数据丢失的。这样t c p 协议相对于u d p 协议的优势便凸显出来：t c p 是 面向连接、可靠的传输协议；而u d p 是无连接、不可靠的传输协议，接收数据包时， 可能会丢包，包序也可能被打乱。 ( 2 ) 网络的可靠性：t c p 协议优于u d p 协议最重要的特点就是传输的可靠性，可有 效的降低传输误码率，大大的提高有效代码量。所以对可靠性比较高的网络传输系统往 往首选的是t c p i p 协议的传输。 ( 3 ) 数据量大小：在通信过程中还有一个重要的考虑因素是接收数据量的大小，多 波束网位仪包括四个空间扇面的探测，共有1 7 个波束，所以传输的数据量比较大，而 t c p 协议相比u d p 协议更适合大量的数据传输。 基于以上综合考虑，本显控平台选择基于t c p i p 协议作为网络通信协议。 3 3 1 2 套接字( s o c k e t ) 网络编程原理 套接字( s o c k e t ) 主要是用在两个基于t c p i p 协议的程序间的相互通信，最早是由 加利福尼亚大学为u n i x 开发的编程接口卜“。在w i n d o w s 系统中，常把s o c k e t 说成 w i n s o c k 。s o c k e t 接口提供了三种套接字类型：流式套接字( s o c ks t 对：a m ) ，数据 报式套接字( s o c kd g r a m ) 和原始套接字( s