綜合集成硬件控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

張　鑫，李　艷，包　坤

（1．中國氣象局氣象探測中心，北京100081；2.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京100081；3.北京華云東方探測技術(shù)有限公司，北京100081）

綜合集成硬件控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

張鑫1，李艷2，包坤3

（1．中國氣象局氣象探測中心，北京100081；2.華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司，北京100081；3.北京華云東方探測技術(shù)有限公司，北京100081）

針對目前地面氣象觀測中設(shè)備眾多、可擴展性不強等問題，本文設(shè)計了一種應(yīng)用于地面氣象觀測的綜合集成硬件控制器。設(shè)計采用以ARM9為內(nèi)核的芯片級微處理器運行Linux操作系統(tǒng)的技術(shù)，實現(xiàn)了兩種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和多種硬件設(shè)備之間的集成通信，解決了諸如觀測設(shè)備眾多、采樣頻次高、觀測數(shù)據(jù)完整性要求高等難題。綜合集成硬件控制器設(shè)計完成后，在全國多個地面氣象觀測臺站進(jìn)行使用，經(jīng)過對使用情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，綜合硬件集成控制器運行穩(wěn)定，具有集成度高，擴展性強的優(yōu)點。

集成化；ARM9；Linux；綜合集成硬件控制器

1　引言

隨著氣象觀測技術(shù)的發(fā)展和集成化觀測方式的興起，我國地面氣象觀測系統(tǒng)急需自動化程度更高、集成化程度更高的數(shù)據(jù)收集和處理的設(shè)備。我國現(xiàn)有2400多個國家級地面氣象觀測站和數(shù)以萬計的區(qū)域觀測站，其中絕大部分基本實現(xiàn)了自動觀測，但觀測場設(shè)備眾多、集成化程度不高、可擴展性不強，造成臺站觀測設(shè)備工作效率不高、觀測人員設(shè)備維護(hù)工作量大。因此，中國氣象局氣象探測中心組織技術(shù)人員和相關(guān)研發(fā)單位共同設(shè)計了一個集成控制的核心業(yè)務(wù)設(shè)備，稱為綜合集成硬件控制器，也稱串口服務(wù)器，可以集成和擴展自動氣象站、云、能見度、天氣現(xiàn)象、稱重降水、雪深、輻射類等多種觀測儀器。

在系統(tǒng)設(shè)計過程參考了多種技術(shù)路線，如王海勇［1］所提到的串口服務(wù)器具有代表性，通常以ARM7/ 9為內(nèi)核的芯片級微處理器運行Linux操作系統(tǒng)，并配合上位機終端實現(xiàn)設(shè)備應(yīng)用，范永剛［2］詳述了通過修改串口服務(wù)器內(nèi)核來提高設(shè)備性能的方法。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，采用不同的模塊設(shè)計和組合，同樣可以很好地實現(xiàn)串口服務(wù)器的功能，串口服務(wù)器在煤炭［3］、電力［4］、化工儀表［5］、災(zāi)害監(jiān)測［6］、通信［7］等行業(yè)成功應(yīng)用，這些應(yīng)用案例在工程實踐上驗證了串口服務(wù)器的可用性和通用性。

由此，為了滿足氣象探測領(lǐng)域的觀測需求和集成化要求，本文將詳細(xì)介紹氣象用綜合集成控制器的總體設(shè)計、組成結(jié)構(gòu)和主要功能，并統(tǒng)計分析其在臺站的實際應(yīng)用情況以及所存在的問題，最后給出階段性小結(jié)。

2　總體設(shè)計

綜合集成硬件控制器硬件部分采用嵌入式ARM9微控制器芯片SC2440實現(xiàn)基于Linux系統(tǒng)的驅(qū)動接口軟件。網(wǎng)絡(luò)管理基于Linux系統(tǒng)自帶的TCP/IP協(xié)議棧開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)接口模塊DM9000A接口方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)存儲采用SD卡作為存儲介質(zhì)，SD卡具有質(zhì)量輕、容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率快以及移動靈活等特點，使用比較方便。為保證系統(tǒng)的可靠運行和異常情況恢復(fù)，系統(tǒng)復(fù)位分為兩種模式，即正常復(fù)位和恢復(fù)出廠設(shè)置。正常復(fù)位即一般的按鍵復(fù)位模式，電路設(shè)計上采用MAX811芯片，MAX811是一種MCU電壓監(jiān)視器，能監(jiān)視3 V、3.3 V以及5 V的電壓，低電平有效復(fù)位，具有低功耗以及精密電源監(jiān)控的特點。觀測設(shè)備接口模塊分為RS-232/485/422模塊、光纖串口轉(zhuǎn)換模塊，兩種模塊與核心控制器接口統(tǒng)一采用TTL串行信號，接頭為DB9公頭，便于更換不同模塊的兼容性。上位機驅(qū)動軟件開發(fā)采用Windows的WDM（視窗驅(qū)動程序模塊）式驅(qū)動技術(shù)方法，驅(qū)動源代碼分為驅(qū)動入口、回調(diào)函數(shù)、附加函數(shù)等三大部分，實現(xiàn)對綜合集成硬件控制器的添加，網(wǎng)絡(luò)信息配置、通信參數(shù)設(shè)置，歷史數(shù)據(jù)下載和遠(yuǎn)程在線更新等功能。

3　組成結(jié)構(gòu)

綜合集成硬件控制器包括室內(nèi)和室外兩部分，室外部分通過標(biāo)準(zhǔn)接口與觀測設(shè)備連接通信，室內(nèi)部分業(yè)務(wù)終端通過UTP網(wǎng)線與光電轉(zhuǎn)換模塊連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，室內(nèi)外通過光纖連接。硬件包含通信控制模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、交流防雷模塊、供電單元等。綜合集成硬件控制器的組成結(jié)構(gòu)和接線如圖1、2所示。

圖1　綜合集成硬件控制器組成結(jié)構(gòu)圖

圖2　綜合集成硬件控制器接線圖

綜合集成硬件控制器室外部分具備以下接口：

（1）8個RS-232/485/422（ZigBee或ST光纖）接口用于連接觀測設(shè)備；

（2）1個RJ45接口用于以太網(wǎng)信號輸出；

（3）1個RJ45接口用于多個通信控制模塊級聯(lián)；

（4）1對ST光纖收發(fā)接口，用于連接室內(nèi)部分進(jìn)行光信息傳輸；

（5）1個USB接口，用于設(shè)備調(diào)試；

（6）1個SD卡插槽。

綜合集成硬件控制器室內(nèi)部分具備以下接口：

（1）1個RJ45接口，用于連接數(shù)據(jù)終端；

（2）1對ST光纖收發(fā)接口，用于連接室外部分進(jìn)行光信息傳輸。

3.1通信控制模塊

通信控制模塊是綜合集成硬件控制器的核心部件，主要功能是完成各種觀測設(shè)備數(shù)據(jù)的接收、存儲，通信方式轉(zhuǎn)換，光電隔離，串行通信轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通信，以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)光纖通信和通過指示燈顯示設(shè)備運行狀態(tài)等。

通信控制模塊具備RS-232/485/422/ZigBee/ST光纖接口、RJ45接口、光纖接口、USB接口等多種通信接口，可以直接接入8路觀測設(shè)備，并具備擴展到16路觀測設(shè)備的能力，支持調(diào)試和數(shù)據(jù)通信傳輸（本地/遠(yuǎn)程）功能。

3.2光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)通信與光纖通信的轉(zhuǎn)換，通過光纖與室外通信控制模塊連接通信，具備RJ45接口和ST光纖收發(fā)接口。

4　主要功能

按照綜合集成硬件控制器的工作流程，其主要功能包括：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、設(shè)置串口信息、數(shù)據(jù)存儲、驅(qū)動程序、管理軟件、在線升級等。

綜合集成硬件控制器支持網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置，實現(xiàn)與業(yè)務(wù)終端的網(wǎng)絡(luò)通信。在業(yè)務(wù)終端成功安裝完成了綜合集成硬件控制器的管理軟件后，啟動配置軟件實現(xiàn)搜索設(shè)備IP、連接設(shè)備和對設(shè)備進(jìn)行管理的功能；支持網(wǎng)絡(luò)信息（如IP、網(wǎng)關(guān)等）的動態(tài)配置、串口信息如波特率等的動態(tài)配置、歷史數(shù)據(jù)下載和設(shè)置用戶名密碼等功能，方便系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與操作；支持每路串口信息進(jìn)行設(shè)置，包括工作方式、波特率和數(shù)據(jù)位等具體內(nèi)容；綜合集成硬件控制器存儲卡最小容量1G，可以備份不少于1個月的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以文件形式存儲，存儲模式為"先入先出"。綜合集成硬件控制器的驅(qū)動程序能將8個RS-232/ 485/422接口在計算機中映射成8個虛擬串口，應(yīng)用程序可以虛擬串口。管理軟件可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、串口參數(shù)、串口通信類型和用戶名與密碼等內(nèi)容，并提供下載歷史數(shù)據(jù)等功能。在不更改任何硬件設(shè)備的前提下，計算機終端可以對綜合集成硬件控制器中的軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程在線升級。

5　應(yīng)用情況分析

截止2015年6月，全國27個省（區(qū)）地面氣象觀測臺站共安裝綜合集成硬件控制器192臺，主要涉及2個廠家的3種型號，2013年6月-2015年6月共發(fā)生故障102次，其中主要的故障情況可歸結(jié)為：設(shè)備死機故障78次，占76.5%；網(wǎng)絡(luò)故障10次，占9.8%；聯(lián)網(wǎng)故障9次，占8.8%；雷擊故障5次，占4.9%。

在綜合集成硬件控制器發(fā)生的故障情況當(dāng)中，設(shè)備死機故障發(fā)生次數(shù)最多，主要表現(xiàn)為觀測數(shù)據(jù)不能正常上傳、終端軟件對觀測設(shè)備通信失效和不能正常響應(yīng)等，聯(lián)網(wǎng)故障主要表現(xiàn)為綜合集成硬件控制器與業(yè)務(wù)終端無法通信，網(wǎng)絡(luò)故障主要表現(xiàn)為設(shè)備能正常工作，但觀測數(shù)據(jù)無法正常上傳，雷擊故障是野外用設(shè)備最常見的故障類型，但雷擊引起的故障占比相比于自動氣象站已經(jīng)大幅度下降，2007-2008年由于雷擊引起的故障占總故障的20%［8］。引起以上這些故障的原因是多方面的，而且不同模塊發(fā)生的故障原因也很多，有些是單獨發(fā)生的，有些是多種故障伴隨發(fā)生的，如設(shè)備在野外高濕環(huán)境下長時間工作，造成設(shè)備內(nèi)部電子線路板損壞；如產(chǎn)品生產(chǎn)時，選取的某些零部件存在問題；如設(shè)備嵌入式軟件設(shè)計不合理，造成驅(qū)動異常、通信異常等。

6　小結(jié)

本文首先詳細(xì)介紹了綜合集成硬件控制器的設(shè)計思路、組成結(jié)構(gòu)和主要功能，其次，統(tǒng)計并分析了綜合集成硬件控制器在臺站中應(yīng)用情況和發(fā)生故障的原因，得到如下結(jié)論：

（1）綜合集成硬件控制器是地面氣象觀測系統(tǒng)的集成設(shè)備，提升了地面氣象觀測系統(tǒng)的集成化程度，不僅可以集成目前所有的觀測設(shè)備，還可以為未來新增觀測設(shè)備提供便利。

（2）綜合硬件集成控制器采用嵌入式ARM9微控制器芯片，具有體積小、功耗低、運算速度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，尤其應(yīng)用在氣象觀測方面，可以很好的解決諸如觀測設(shè)備眾多、采樣頻次高、觀測數(shù)據(jù)完整性要求高等等這些難題。

（3）綜合集成硬件控制器采用光纖通信，對于維護(hù)保障，尤其是在防雷效果方面，有了顯著的提升。

（4）綜合集成硬件控制器還存在很大的技術(shù)和質(zhì)量的提升空間，還需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和嵌入式軟件功能，改進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)工藝。

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［6］況海龍，熊慶國.基于串口服務(wù)器的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013，21（13）：91-93.

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1002-252X（2016）03-0034-03

2016-6-1

張鑫（1982-），男，河北省承德市人，北京理工大學(xué)，碩士生，工程師.