水情遙測(cè)設(shè)備旁路測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□蔡勛星（南陽(yáng)市白河橡膠壩管理處）

□吳冀偉（南陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

水情遙測(cè)設(shè)備旁路測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□蔡勛星（南陽(yáng)市白河橡膠壩管理處）

□吳冀偉（南陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局）

水情遙測(cè)設(shè)備作為一個(gè)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)溶浻布Y(jié)合的自動(dòng)化測(cè)報(bào)系統(tǒng)，作為一個(gè)無(wú)人值守的野外數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，要能夠及時(shí)準(zhǔn)確的維護(hù)使其穩(wěn)定工作，就必須設(shè)計(jì)便攜式的旁路測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是分析水情遙測(cè)設(shè)備工作原理，輸入輸出接口，再依據(jù)水情遙測(cè)設(shè)備的輸入輸出交互狀態(tài)，反向雙向模擬測(cè)試，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集設(shè)備、控制單元和傳輸單元工作姿態(tài)。

水情遙測(cè)設(shè)備；旁路測(cè)試系統(tǒng)；反向雙向測(cè)試

水情遙測(cè)設(shè)備作為一個(gè)設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸?shù)溶浻布Y(jié)合的自動(dòng)化測(cè)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于標(biāo)準(zhǔn)的SCADA（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)，涉及數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。系統(tǒng)的組成復(fù)雜，因此在出現(xiàn)故障時(shí)，判定故障點(diǎn)極其困難。在維修實(shí)踐過(guò)程中，靠人工經(jīng)驗(yàn)判定，常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間，而水情遙測(cè)設(shè)備大都位于山區(qū)，交通不便，有時(shí)一個(gè)測(cè)點(diǎn)的維修需要反復(fù)多次，導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，要求在12h內(nèi)修復(fù)設(shè)備故障。因此，要在不介入設(shè)備的情況下，迅速判定故障點(diǎn)，就必須設(shè)計(jì)出旁路測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，排除故障，恢復(fù)使用。

一、旁路測(cè)試系統(tǒng)的建設(shè)思路

根據(jù)需求，建立旁路測(cè)試系統(tǒng)的目的就是通過(guò)便攜式設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)模擬水情遙測(cè)設(shè)備的輸入輸出，測(cè)試控制設(shè)備和采集設(shè)備的工作姿態(tài)，從而判定水情遙測(cè)設(shè)備的故障點(diǎn)。

二、分析水情遙測(cè)設(shè)備的特征

水情遙測(cè)設(shè)備主要有RTU、DTU和雨量水位等數(shù)據(jù)采集儀器組成。水情遙測(cè)設(shè)備主要通過(guò)外部數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集雨水情，通過(guò)RTU運(yùn)算控制，結(jié)果輸出到屏幕和DTU。DTU是采用標(biāo)準(zhǔn)的GPRS/GSM模塊，采用RS-232接口，傳輸數(shù)據(jù)。其工作原理如圖1：

RTU可以接受的輸入輸出包括：開(kāi)關(guān)量輸入單元、開(kāi)關(guān)量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、脈沖量輸入單元、脈沖量輸出單元、數(shù)字量輸入單元。

圖1 RTU工作原理圖

開(kāi)關(guān)量輸入單元：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)可以是繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)（無(wú)源），也可以是電壓信號(hào)，還可以是電流信號(hào)。由于采用光隔離器件，可以抵抗現(xiàn)場(chǎng)各種干擾，能夠在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、多塵埃、潮濕環(huán)境下正常工作。

開(kāi)關(guān)量輸出單元：用于遙控遠(yuǎn)端設(shè)備的開(kāi)停、聲光、告警等。

模擬量輸入單元：采用模擬開(kāi)關(guān)及光電隔離技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)各種模擬信號(hào)采集進(jìn)來(lái)，既可以是4-20mA、0-10mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)；也可以是非標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，如交流220V等，A/D板采用智能A/D變換和利用軟件技術(shù)，可抗工頻50Hz干擾，射頻干擾等，A/D變換精度高達(dá)14位。模擬量路路隔離，可以用于不同的地電位設(shè)備同時(shí)采集。

模擬量輸出單元：用于PID調(diào)節(jié)方式下的各種自控系統(tǒng)。

脈沖量輸入單元：采集脈沖信號(hào)的頻率，帶光隔。采集信號(hào)的頻率范圍為0～20MHz。

數(shù)字量輸入單元：接收各種串行數(shù)據(jù)信號(hào)?？梢允荝S485接口，RS232、RS422接口，或V11、V28等各種波特率下的異步串行數(shù)據(jù)。也可以采集64K同步數(shù)據(jù)。

RTU工作順序如圖2：

圖2 RTU工作順序圖

水情遙測(cè)設(shè)備啟動(dòng)后就進(jìn)入值守狀態(tài)，在輸入輸出或DTU的觸發(fā)下，立即進(jìn)入工作態(tài)，運(yùn)算控制。

分析RTU的工作原理可知，水情遙測(cè)設(shè)備主要輸入有：雨量信號(hào)、水位信號(hào)和DTU命令（例如招測(cè)）。輸出主要有：通過(guò)RS-232傳向DTU的水情編碼。

雨量和水位信號(hào)主要是：雨量傳感器采用翻斗式雨量計(jì)和浮子式水位計(jì)作為系統(tǒng)的雨量傳感器和水位傳感器，翻斗式雨量計(jì)屬于開(kāi)/關(guān)式數(shù)字傳感器，浮子式水位計(jì)屬于編碼式數(shù)字傳感器。

通過(guò)RS-232傳向DTU的水情編碼，主要是ASCI碼標(biāo)準(zhǔn)的字符串，其組成有設(shè)備的所在地冠字、站編碼和雨水情實(shí)時(shí)報(bào)文。

由此可見(jiàn)，水情遙測(cè)設(shè)備輸入輸出交互可以分為3類(lèi)：數(shù)據(jù)采集、通訊交互和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的控制處理顯示。

三、旁路測(cè)試系統(tǒng)的主要功能

旁路測(cè)試只有通過(guò)通訊口同系統(tǒng)交互。功能可以分為四部分：模擬RTU測(cè)定雨量水位信號(hào)、模擬雨量水位信號(hào)測(cè)試RTU、測(cè)定DTU和交互測(cè)定RTU板載芯片。

（一）測(cè)試系統(tǒng)模擬雨量水位信號(hào)測(cè)定RTU

測(cè)定雨水情測(cè)量信號(hào)的工作原理是，RTU接收的信號(hào)是通過(guò)RS232串口通訊，因此，把信號(hào)接口接到計(jì)算機(jī)的串口上，通過(guò)改變?nèi)藶樽兓炅亢退恢?，旁路測(cè)定系統(tǒng)不斷讀取串口數(shù)據(jù)，從而判定雨量和水位測(cè)量傳感器是否工作正常。

反之，把計(jì)算機(jī)的串口接到RTU的RS232或RS485口上，計(jì)算機(jī)模擬雨量水位信號(hào)，其中雨量為脈沖信號(hào)，水位為格雷碼格式信號(hào)，輸入不同雨量值和水位值，從RTU上可以判定值是否正確，從而判定RTU是否工作正常。

（二）測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定DTU

遙測(cè)設(shè)備中DTU單元一般采用GSM調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)串口同RTU連接，因此，測(cè)定系統(tǒng)直接把DTU接到計(jì)算機(jī)的串口上，利用AT命令集，測(cè)試DTU是否正常。

（三）交互測(cè)定RTU板載芯片

RTU屬于嵌入式系統(tǒng)在嵌入式操作系統(tǒng)讀入后，初始化CPU外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)，然后讀入遙測(cè)值守程序，等待雨水情信號(hào)。

在RTU工作的過(guò)程中，如果板載芯片出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致外部驅(qū)動(dòng)不能正常加載，這時(shí)，RTU的NVRAM的寄存器就會(huì)記錄相應(yīng)的設(shè)備。

所謂交互測(cè)定就是在RTU加電狀態(tài)下，讀取NVRAM的寄存器判定那個(gè)外部設(shè)備，也就是芯片工作不正常。

四、實(shí)現(xiàn)

水情遙測(cè)設(shè)備的旁路測(cè)試系統(tǒng)，采用龍人ARM11開(kāi)發(fā)板，利用板載通訊端口，雙向模擬輸入輸出信號(hào)，通過(guò)ADS1.2編寫(xiě)代碼。系統(tǒng)的操作系統(tǒng)是wince，基本上實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)有化和小型化。

五、結(jié)語(yǔ)

水情遙測(cè)設(shè)備的旁路測(cè)試系統(tǒng)是基于ARM開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，也可以移植到PC上，但在內(nèi)部板載設(shè)備的測(cè)試上由于廠商芯片保密，測(cè)試不是十分完備。同時(shí)，由于針對(duì)金水燕禹系統(tǒng)制作，有一定的局限性，但可以通過(guò)增加芯片庫(kù)來(lái)增加其適應(yīng)性。

2011-08-17