[发明专利]基于NI cRIO的航空超导全张量磁梯度数据采集系统及方法

权利要求书

1.一种基于NI cRIO的航空超导全张量磁梯度数据采集系统，其特征在于，包括NIcRIO控制器、C系列I/O模块、SQUID工作点调节控制模块和人机交互界面；

NI cRIO控制器的型号为NI 9033，包括1个NI Real-Time控制器和1个4槽FPGA机箱；

C系列I/O模块包括1块NI 9202模拟信号采集卡、1块RS232串口采集卡和1块NI 9401数字I/O采集卡；这三块板卡全部插在NI 9033控制器的FPGA机箱槽上；NI 9202采集卡接收来自SQUID的磁梯度数据，经过AD转换后将数据传送给NI 9033；NI 9870串口采集卡接收来自SPAN-CPT的惯性导航系统的姿态、位置数据，并传送给NI9033；NI 9401接收来自SPAN-CPT的的秒脉冲PPS信号，作为触发开始信号，并通过重采样产生倍频信号作为NI 9033控制器磁数据的开始采集信号；

SQUID工作点调节控制模块包含一个485控制模块，485模块连接到NI9033控制器的串行接口上，根据采集的磁数据来实时判断怎样调节SQUID的偏置电压和偏置电流，由485控制模块发送统一协议的控制指令，直到找到SQUID的最优工作点；

利用SPAN-CPT提供的高精度的PPS信号来触发磁数据采集，保证全张量的磁梯度数据与位置、姿态数据采集开始的同步性，其次不使用惯性导航系统SPAN-CPT提供的记录存储功能，而是利用9870模块读取惯性导航系统SPAN-CPT的位置姿态数据，9202模块读取磁梯度数据，这两种数据同时传送给FPGA机箱，而FPGA机箱，能够并行处理数据，同时自带一个40M的时钟晶振，所以在FPGA机箱上同时给9202传送上来的磁梯度数据和9870传送上来的位置姿态数据打上FPGA机箱的时间戳；为保证FPGA机箱上晶振不产生累计误差，每1秒钟用SPAN-CPT的时间校正一次FPGA晶振，能够使磁梯度数据和位置姿态数据的同步精度得到1000ns以内；

软件程序的整体框架分为三个级别，分别是FPGA程序、RT程序和PC图形化界面程序；

FPGA程序直接对C系列I/O模块进行操作，编写完成后的程序需要编译后下载到FPGA上进行重新配置，FPGA程序实现的功能包括采集SQUID磁数据、采集惯性导航姿态位置、给SQUID磁数据和惯性导航数据加上时间戳、采集PPS脉冲并生成倍频采样时钟以及通过FIFO与RT进行通讯；

RT程序直接在实时控制器NI9033上，直接对FPGA前面板的所有输入输出控件进行读写，同时也可以通过TCP/IP控件与PC端图形化界面的程序建立连接，完成LabVIEW程序部署后就可以直接运行；RT程序实现的功能包括存储惯导数据和SQUID磁数据、传递磁数据和惯导数据PC端图形化界面进行显示、传递SQUID工作点调节的参数以及实时检测SQUID是否偏离工作点；

图形化界面是在Windows操作系统执行的上位机程序，实现人机交互，系统在SQUID调节工作点时，实时观察NI cRIO采集回的SQUID磁数据，根据采集的数据指导下一步怎样调节，一旦SQUID工作点调节完成后就切掉上位机图形化显示界面，RT程序和FPGA就在NIcRIO控制器上根据调节后的参数独立运行。

2.根据权利要求1所述的采集系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将NI9033控制器与电脑通过网线连接起来；

步骤2，所有硬件连接完成后，打开NI9033控制器和NI9870模块的电源开始供电，NI9022和NI9401模块不需要单独供电，在确认电源正常后，检查上位机与NI9033、NI9022、NI9401和NI9870之间的通信是否完好；

步骤3，在确认上位机与NI控制器和C系列I/O模块之间通信正常后，在主机控制软件上通过SQUID工作点调节模块设置偏置电压和偏置电流调节SQUID的工作点，调制波形选择幅值为1.5，频率为50HZ的三角波，直到9个SQUID都能够正常工作为止；

步骤4，SQUID工作点调节完成后，锁定工作点，此时，在SQUID磁传感器附近晃动一个铁磁性物体，观测人机交互界面上的磁数据是否发生变化；

步骤5，如果上位机显示的磁数据波形发生变化，说明SQUID工作正常；

步骤6，断开电脑和NI9033控制器的连接，此时将此套系统装于航空平台上进行飞行测量，直至飞行完待测区域；

所述步骤2中，检查上位机与NI9033、NI9022、NI9401和NI9870之间的通信是否完好的具体过程如下：

1)在上位机启动NI MAX软件，在NI MAX软件的远程系统中找到NI9033控制器，这说明NI9033与电脑通信正常；

2)在NI9033控制器下找到NI9022、NI9401和NI9870三个模块，这说明三个模块与FPGA机箱连接正常；

3)关闭NI MAX软件，启动上位机数据采集和控制软件，系统上电后并没有开始数据采集，只有当NI9401检测到PPS信号后，才开始采集数据，此时，在人机交互界面上观察磁数据和位置姿态数据是否正常；

4)在上位机发送握手指令，观察SQUID工作点调节模块是否返回握手成功的指令；

5)移动惯导系统，观察主界面上位置姿态数据的变化情况是否与实际动作相符；

6)此时，SQUID磁传感器还没有调节工作点，所有此时的磁数据是不可靠的，上述情况都相对应，说明主机与NI9033、NI9022、NI9401和NI9870之间的通信是正常的。