三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 力，陳 星，李 俊，徐海富

（1.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢430074；2.宜昌市氣象局，宜昌443000）

檢測二維閃電探測儀狀態(tài)的傳統(tǒng)方法是使用串口調(diào)試助手或者網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手。前者先用串口線將設(shè)備與電腦連接，再用客戶端的串口調(diào)試助手程序發(fā)送相應(yīng)命令，通過返回信息來判斷探測儀核心部件的工作狀態(tài)。此種方法需要技術(shù)人員攜帶工具抵達(dá)設(shè)備現(xiàn)場，在調(diào)試程序中設(shè)置串口、波特率、校驗位等一系列正確信息后才能接收到對應(yīng)的返回值，檢測不便且效率較低。后者在客戶端軟件輸入需要測試的探測儀IP 地址和端口號，再將軟件所在電腦的IP 地址寫入探測儀通信模塊中，通過TCP或UDP 協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)通信。此種方法每次檢測探測儀狀態(tài)都需要配置單一站點的IP 地址和端口號等信息，查詢、操作較為繁瑣[1]。

三維閃電探測儀使用時差定位法接收云閃、云地閃輻射的閃電回?fù)裘}沖信號，可以解算閃電輻射源的時間、位置、高度、強度、極性等重要參數(shù)信息，三維閃電探測系統(tǒng)接收處理的數(shù)據(jù)量相比二維閃電探測系統(tǒng)增加數(shù)倍，定位算法和狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計更加復(fù)雜[2-5]。針對傳統(tǒng)二維閃電探測儀繁雜、低效的狀態(tài)檢測方式和功能簡單的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，使用C/S 架構(gòu)與C++ builder 編程開發(fā)三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)。本文重點闡明系統(tǒng)架構(gòu)、程序結(jié)構(gòu)、功能模塊的設(shè)計應(yīng)用，結(jié)合湖北省三維閃電探測系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，期望實現(xiàn)設(shè)計合理、功能齊備、信息及時、友好直觀、移植方便的三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)。

1 檢測監(jiān)控系統(tǒng)

狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)是三維閃電探測儀的核心組成部分，可以直接用于判斷探測儀的性能與狀態(tài)。狀態(tài)檢測監(jiān)控在設(shè)計時充分考慮了系統(tǒng)的可移植性、處理速度和可靠性等要求，基于可編程邏輯器件和嵌入式處理器內(nèi)核，綜合運用多中斷處理、并行處理和多任務(wù)協(xié)同等信息處理技術(shù)來進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計與開發(fā)[6-7]。

1.1 系統(tǒng)功能需求

根據(jù)三維閃電的探測任務(wù)需求和相關(guān)技術(shù)設(shè)計，系統(tǒng)要實現(xiàn)的基本功能有：讀取GPS 信息與精確時鐘；測量閃電回?fù)舨ㄐ蔚膮⒘?，并實時發(fā)送探測數(shù)據(jù)；接收外部指令，根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)操作后，再返回信息；必要的自檢、維修與測試功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運行、波形判別、本地時鐘、GPS 授時、狀態(tài)管理、自檢、通信單元等功能模塊，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.1 System software structure

系統(tǒng)初始化的主要功能是完成系統(tǒng)啟動和各功能單元初始化設(shè)定。初始化程序包括檢測外部RAM，接收GPS 信息，校對本地時鐘，計算A/D 轉(zhuǎn)換補償誤差，復(fù)位及維修程序的選擇處理，系統(tǒng)初始化程序的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)初始化結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System initialization block diagram

自檢模塊的主要功能是確定系統(tǒng)各個單元能否正常工作。模塊結(jié)構(gòu)主要包括測量10 MHz 晶振頻率，GPS 信息檢測，校對本地時鐘，校正A/D 轉(zhuǎn)換誤差，發(fā)送測試閃，計算測試閃的電場與磁場值，計算增益系數(shù)、通道系數(shù)和平均校正系數(shù)值，系統(tǒng)自檢模塊的細(xì)分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)自檢模塊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of system self-checking module

系統(tǒng)運行模塊負(fù)責(zé)各個功能單元的協(xié)調(diào)和中斷處理，起到任務(wù)調(diào)配作用，是軟件設(shè)計的主要控制部分。系統(tǒng)運行包括發(fā)送狀態(tài)信息、閃數(shù)據(jù)幀、中心站命令處理、中斷程序處理、計算A/D 轉(zhuǎn)換誤差補償和控制A/D 采集，其細(xì)分結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of system operation structure

NIOS II 處理器作為一款A(yù)ltera 公司開發(fā)的嵌入式軟核，可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計裁剪和資源管理。閃電定位探測系統(tǒng)基于NIOS II 處理器研發(fā)，系統(tǒng)的軟件處理架構(gòu)如圖5所示，圖中上位機(jī)與GPS 的通信方式均采用串口協(xié)議實現(xiàn)[8-10]。

圖5 系統(tǒng)軟件處理架構(gòu)Fig.5 System software processing architecture

2 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 程序結(jié)構(gòu)劃分

三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)程序的基本組成分為初始化程序、自檢程序、主程序以及相關(guān)中斷程序。初始化程序用于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的硬件與軟件部分設(shè)置初始及中斷狀態(tài)，分層調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器等功能。自檢程序用來對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行自檢，以確定系統(tǒng)是否正常運行，并由軟件計算出硬件隨時間或溫度等因素變化而引起的漂移補償值。自檢通過以后的程序稱為主程序段，它是一個以時間為標(biāo)志對不同物理量或任務(wù)進(jìn)行處理的循環(huán)程序。主程序段需要處理探測儀的回?fù)魯?shù)據(jù)，并按不同格式發(fā)送回?fù)魯?shù)據(jù)，還需要定時處理命令、自診斷、狀態(tài)等信息[11]。系統(tǒng)的主要中斷程序包括：

（1）閃電信號中斷處理程序：用于接收并處理閃電事件。

（2）時鐘中斷處理程序：三維閃電探測儀所處理的某些數(shù)據(jù)與時刻之間關(guān)系極為密切，需要準(zhǔn)確的時間信息協(xié)同判斷處理這些數(shù)據(jù)，此過程在時鐘中斷程序里完成。

（3）串口中斷處理程序：用于接收指令，并輸出指令結(jié)果、閃數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息等。

（4）過閾值率中斷處理程序：過閾值率是閃數(shù)據(jù)處理中用來判別背景噪聲大小的參量，程序需要將此參量記錄下來。

（5）GPS 中斷程序：用于接收GPS 信號傳送的經(jīng)緯度和時間等信息。

2.2 初始化程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化是程序的起始部分，在三維閃電探測儀上電或復(fù)位后開始執(zhí)行，程序的主要設(shè)計內(nèi)容為對各公共變量賦初值、開啟相關(guān)中斷、檢測GPS接收機(jī)工作狀態(tài)、讀取撥碼開關(guān)信息、一定時間范圍內(nèi)將定時器清零。初始化程序首先完成以下功能：讀取撥碼開關(guān)信息；向CPU 板上5 個指示燈發(fā)送滅燈信號；檢測是否進(jìn)入維修功能；檢測GPS 狀態(tài)并校準(zhǔn)時間；讀取CPU 板的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換；根據(jù)DIP 開關(guān)，設(shè)置波特率和閾值；設(shè)置開啟串口、回?fù)魯?shù)據(jù)、秒、小時、閾值等相關(guān)中斷；進(jìn)行自檢測試[12-13]。

2.3 自檢程序設(shè)計

初始化程序的最后部分、時鐘的每個整點時刻和設(shè)備執(zhí)行SELFTEST 命令3 種情況，三維閃電探測儀都會執(zhí)行過程相同的自檢任務(wù)。自檢程序的功能：①檢測探測儀工作狀況，并將檢測結(jié)果作為狀態(tài)信息定時發(fā)往數(shù)據(jù)中心站，使用戶通過中心站可以隨時了解探測儀的設(shè)備狀態(tài)；②統(tǒng)計各種探測數(shù)據(jù)和采集通道的自檢結(jié)果，計算各通道的增益、零點漂移偏差等數(shù)據(jù)，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)校正。自檢程序的主要內(nèi)容如下：

（1）測量探測儀的艙內(nèi)溫度、GPS 狀態(tài)（經(jīng)度、緯度、幾何精度因子）、閾值設(shè)定值、閾值反讀值、晶振頻率、每秒過閾值噪聲率等基本運行參數(shù)。

（2）校正A/D 轉(zhuǎn)換的變換誤差。

（3）測量與校正各個通道（南北磁場、東西磁場、電場）的探測數(shù)據(jù)。

將測得的自檢參數(shù)按照要求存入指定寄存器，以便后續(xù)數(shù)據(jù)校正使用，通過參數(shù)校正可以保證較高的數(shù)據(jù)處理精度。根據(jù)探測儀完成自檢后的結(jié)果來驅(qū)動設(shè)備上5 個狀態(tài)指示燈，可以顯示對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，同時向數(shù)據(jù)中心站發(fā)送主要狀態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)的自檢流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)自檢流程Fig.6 System self-check flow chart

2.4 主程序設(shè)計

三維閃電探測儀自檢程序通過之后，系統(tǒng)運行進(jìn)入主程序部分，主程序的任務(wù)是響應(yīng)各類中斷請求。主程序設(shè)計的中斷處理包括：回?fù)魯?shù)據(jù)處理中斷、CPU 串口通訊中斷、GPS 1 PPS 中斷、小時自檢中斷、過閾值中斷。此外，主程序還需要定時向外部發(fā)送探測儀狀態(tài)信息和回?fù)魯?shù)據(jù)信息，響應(yīng)并處理串口命令，其設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

2.5 中斷程序設(shè)計

本地時鐘中斷是通過GPS 授時給本地時鐘所產(chǎn)生的精確時鐘中斷信號，主程序通過被精確授時的小時中斷信號進(jìn)行每小時自檢和誤差修正。當(dāng)探測儀上電啟動或者運行自檢程序時，系統(tǒng)需要進(jìn)行GPS 授時，此時GPS 信號通過中斷接入主程序。串口中斷主要功能是完成設(shè)備和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的雙向通信。過閾值中斷用來判斷當(dāng)前接收的閃電信號是否真實有效。由于一次閃電一般含有多次回?fù)魯?shù)據(jù)，回?fù)粜盘栔g的時間間隔大多為20～200 ms。在雷暴最頻繁的時段，回?fù)粜盘栭g的時間間隔僅僅幾毫秒。因此，若要及時處理每一個回?fù)魯?shù)據(jù)，其程序設(shè)計方法為在回?fù)糁袛喾?wù)程序中，將從ADC 讀取的磁場、電場模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)果和回?fù)粜盘柌ㄐ翁卣鼽c的到達(dá)時刻不加處理地保存于內(nèi)存區(qū)，直到退出中斷服務(wù)程序再作處理；退出中斷服務(wù)程序以后，查詢系統(tǒng)主程序中是否有回?fù)糁袛?，若有則將結(jié)果數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀發(fā)往中心站，閃電回?fù)魯?shù)據(jù)中斷服務(wù)處理流程如圖8所示。

圖8 回?fù)魯?shù)據(jù)中斷處理流程Fig.8 Flow chart of data interruption processing

3 系統(tǒng)功能應(yīng)用

針對本文所述的三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)，使用C/S 架構(gòu)和C++ builder 設(shè)計開發(fā)了操作簡便、友好直觀、面向用戶的閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控界面以及檢測探測儀程序子界面，與數(shù)據(jù)接收處理、探測儀檢測與控制、查看與設(shè)置系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)查詢與回放、閃電回?fù)魯?shù)據(jù)重定位等子系統(tǒng)所構(gòu)成的省級三維閃電探測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)狀態(tài)檢測、狀態(tài)監(jiān)控及其它功能模塊集成應(yīng)用，驗證了前述程序設(shè)計開發(fā)的可行性，以下是三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)的典型功能子界面。

3.1 系統(tǒng)自檢功能

三維閃電探測儀具備從天線到輸出端口的全自檢功能。在檢測探測儀程序子界面中選擇待檢測的探測站點，再設(shè)置最大響應(yīng)延遲時間，當(dāng)發(fā)送SELFTEST 指令后，程序開始運行系統(tǒng)自檢功能，并在最大響應(yīng)延遲時間內(nèi)顯示設(shè)備的自檢結(jié)果，檢測探測儀程序運行系統(tǒng)自檢功能的操作和結(jié)果如圖9所示。

圖9 程序運行自檢功能Fig.9 Program running self-check function

檢測探測儀程序準(zhǔn)備檢測宜昌站三維閃電探測儀時，選擇或鍵入SELFTEST 指令，在發(fā)送指令后最長30 s 的響應(yīng)延遲時間內(nèi)，程序會反饋宜昌站的設(shè)備自檢結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)狀態(tài)檢測

檢測探測儀程序可自動輸出三維閃電設(shè)備核心部件的工作參數(shù)，實現(xiàn)核心部件故障自動報警。發(fā)送STATUS 指令后程序運行狀態(tài)檢測功能，在最大響應(yīng)延遲時間內(nèi)返回設(shè)備的狀態(tài)檢測結(jié)果，系統(tǒng)狀態(tài)檢測功能的操作和結(jié)果如圖10所示。

圖10 程序檢測探測儀狀態(tài)Fig.10 Program detection detector status

在程序界面中選擇或鍵入STATUS 指令，最長30 s 的響應(yīng)延遲時間內(nèi)，界面會顯示所選站點探測儀當(dāng)前的核心部件工作參數(shù)。

3.3 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控

將三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)部署于省級平臺，系統(tǒng)通過接收站點的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以判斷當(dāng)前探測儀狀態(tài)，并使用交互界面進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)監(jiān)控探測儀狀態(tài)Fig.11 System monitoring detector status

系統(tǒng)以場景方式展示與其它功能的交互狀態(tài)。探測站名稱、IP 地址、端口號、狀態(tài)數(shù)據(jù)、云地回?fù)?、云間回?fù)舻刃畔@示于界面左側(cè)，設(shè)備用綠色與灰色區(qū)分，表示系統(tǒng)狀態(tài)正常與異常。站名、地理位置、最近一次自檢開始時間、自檢通過標(biāo)志、當(dāng)前閾值、當(dāng)前閾值平均通過率、自檢開始時GPS 誤差值、10 MHz 恒溫槽石英晶振頻率值的偏差等實時信息顯示于界面右側(cè)。

4 結(jié)語

本文針對三維閃電探測系統(tǒng)接收處理的數(shù)據(jù)量相比二維閃電探測系統(tǒng)增加數(shù)倍，定位算法和狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計更加復(fù)雜，以及傳統(tǒng)二維閃電探測儀繁雜、低效的狀態(tài)檢測方式等問題，開發(fā)了三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計了檢測探測儀程序，可以直接判斷探測儀性能與狀態(tài)，實現(xiàn)從天線到輸出端口的全自檢功能；還設(shè)計了閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控界面和檢測探測儀程序子界面，根據(jù)接收的狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前探測儀狀態(tài)，應(yīng)用場景方式展示與其它功能的交互情況，提供人機(jī)互動界面進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控。同時結(jié)合湖北省三維閃電探測網(wǎng)搭建實驗平臺，進(jìn)行系統(tǒng)功能和程序運行測試，驗證本文設(shè)計開發(fā)方法的適用性與穩(wěn)定性，結(jié)果表明：狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計清晰合理、狀態(tài)檢測及時便捷、狀態(tài)監(jiān)控信息完整、系統(tǒng)功能全面完善、操作界面友好直觀，滿足三維閃電探測儀狀態(tài)檢測監(jiān)控的實際需求，對其它種類探測設(shè)備狀態(tài)檢測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)提供了重要借鑒意義。