地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺設(shè)計

摘 要：隨著氣象觀測設(shè)備自動化的成熟與普及，觀測設(shè)備得到及時、正確的維修檢測和保障成為當(dāng)前的主要工作之一。地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺的開發(fā)，實現(xiàn)了對主要地面氣象觀測設(shè)備的故障診斷、維修保障和性能測試，包括自動氣象站、自動土壤水分站等。結(jié)合萬用表等通用設(shè)備對被測采集器接口板及主板的元件級關(guān)鍵點進(jìn)行測試，完成電路板具體故障的查找，從而分析采集器、傳感器等存在的故障。介紹了地面氣象觀測設(shè)備的組成，分析了地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺結(jié)構(gòu)，探討了平臺硬件設(shè)計和平臺軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：自動氣象站；傳感器；維修

中圖分類號：P414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）08–0-03

福建省地處中國東南沿海地區(qū)，常遭受暴雨、臺風(fēng)等氣象災(zāi)害的侵襲，自動地面氣象觀測設(shè)備是不間斷監(jiān)測災(zāi)害性天氣最快速、直接的手段。經(jīng)過多年的發(fā)展，當(dāng)?shù)貧庀蟊O(jiān)測能力有了明顯進(jìn)步。隨著質(zhì)量管理體系工作的不斷深入，氣象部門的自動地面氣象觀測設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量按月、年考核，實行通報制度，并納入氣象部門常規(guī)目標(biāo)考核，對各級氣象部門設(shè)備保障工作提出了更高的要求，相對應(yīng)的設(shè)備維修與測試等工作也需要更加精細(xì)化[1-2]。隨著地面氣象觀測站網(wǎng)規(guī)模的擴大、設(shè)備使用年限的增加，氣象設(shè)備出現(xiàn)的故障也越來越多。因此，建立高效、智能的地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺顯得尤為重要。地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺的開發(fā)，不僅可以檢測傳感器和采集器的故障情況，還可以根據(jù)國內(nèi)地面觀測設(shè)備的實際運行情況和維修保障經(jīng)驗來調(diào)整系統(tǒng)的性能，幫助公眾更好地了解氣象觀測設(shè)備的故障特征，為自動觀測設(shè)備提供更加準(zhǔn)確的故障檢測服務(wù)[3]。

1 地面氣象觀測設(shè)備的組成

地面氣象觀測設(shè)備的核心部件是采集器和傳感器，與電源、通信設(shè)備等附屬設(shè)備組成完整系統(tǒng)。采集器和傳感器的故障數(shù)在整個地面氣象觀測設(shè)備的占比較高，電源部分通常為成本較低的通用設(shè)備，維修意義較小，通信部分設(shè)備的電子集成度較高，維修難度大，因此測試維修平臺主要考慮采集器和傳感器的測試與診斷維修，其他附屬設(shè)備則主要考慮采用萬用表等工具進(jìn)行簡單測試[4]。

采集器主要負(fù)責(zé)接收各種傳感器傳輸?shù)男盘?，通過處理并按照一定的格式形成數(shù)據(jù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳遞至控制系統(tǒng)。要檢驗采集器是否運作正常，必須配備帶有標(biāo)準(zhǔn)信號源的要素信號生成系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)信號源能夠模擬各種傳感器的信號輸出，并接入需檢查的采集器，通過將采集器的輸出數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)信號源的數(shù)據(jù)相對比，比較兩者以確認(rèn)采集器是否存在異常。傳感器的測試主要通過對比的方式進(jìn)行，設(shè)計一個傳感器要素信號接收系統(tǒng)，用來接收被測傳感器的信號，并與平臺上的標(biāo)準(zhǔn)傳感器信號進(jìn)行比對，根據(jù)兩者信號的偏差判斷被測傳感器是否正常。地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺作為檢測工具，兼具實用性、通用性和可擴展性[5-6]。

2 地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺的結(jié)構(gòu)

地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺主要包括平臺硬件和平臺軟件。地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺硬件部分主要包括自動氣象站要素信號生成系統(tǒng)、自動氣象站要素信號接收系統(tǒng)的綜合維修測試系統(tǒng)，結(jié)合可調(diào)電源、電焊臺、萬用表、示波器和個人電腦等模塊化通用設(shè)備，加上平臺軟件部分，可實現(xiàn)地面氣象觀測設(shè)備的綜合維修測試和性能分析工作，包括傳感器測試、采集器測試和地面氣象觀測設(shè)備電路板關(guān)鍵點測試。地面氣象觀測設(shè)備測試維修平臺組成結(jié)構(gòu)圖（圖1）。

3 平臺硬件設(shè)計

作為軟件部分實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，平臺硬件部分主要功能是產(chǎn)生和采集信號，通過對現(xiàn)代電子技術(shù)的深入應(yīng)用，借鑒現(xiàn)有地面氣象觀測設(shè)備的業(yè)務(wù)運行經(jīng)驗，在分析地面氣象觀測設(shè)備故障特點及分布規(guī)律的前提下，采用先進(jìn)的電子測量與信號處理技術(shù)，能夠較為完備地涵蓋現(xiàn)階段地面氣象探測業(yè)務(wù)中所使用的采集器和傳感器，適用于地面自動氣象設(shè)備的故障診斷和維修工作[7]。地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺硬件部分主要分為自動氣象站要素信號生成系統(tǒng)和自動氣象站要素信號接收系統(tǒng)2個部分，其接口面板提供了豐富的傳感器和采集器通信接口。

3.1 自動氣象站要素信號生成系統(tǒng)

自動氣象站要素信號生成系統(tǒng)模擬各種常用型號的自動站傳感器信號，用于自動氣象站采集器要素的標(biāo)校，保證自動氣象站采集器通道的正常及測量值的準(zhǔn)確性。自動氣象站要素信號生成系統(tǒng)具體包括溫度傳感器信號模擬、濕度傳感器信號模擬和翻斗雨量傳感器信號模擬模塊；風(fēng)速傳感器信號模擬模塊，覆蓋主流的EL15-1C、EL15-1A、EZC-1和ZQZ-TF共4種型號；風(fēng)向傳感器信號模擬模塊，支持EL15-2C、EL15-2D、EZC-1和ZQZ-TF共4種型號；氣壓傳感器信號模擬模塊，提供HYPTB210、PTB220、WUSH-TP300、PTB330和DYC1共5種氣壓型號的7種模式選項；能見度傳感器信號模擬模塊，支持HY-V35、DNQ2、DNQ3和PWD系列型號；其他傳感器信號模擬模塊，支持AG2.0和WUSH-TV2共2種蒸發(fā)傳感器型號。

3.2 自動氣象站要素信號接收系統(tǒng)

地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺的自動氣象站要素信號接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成傳感器的快速測試、性能測試等，可設(shè)置各種型號自動站傳感器的工作模式，采集各種型號自動站傳感器的實時測量數(shù)據(jù)，初步判斷各種型號自動站傳感器功能的好壞情況。該系統(tǒng)具備與平臺信號源相對應(yīng)的所有氣象要素傳感器的采集功能，同時也具有與信號源部分功能相同的CAN總線測試功能，通過人機交互界面顯示采集到的傳感器測量值[8]。

將傳感器與平臺做好物理連接，其測試數(shù)據(jù)就會自動顯示于平臺采集器要素信息顯示區(qū)。

平臺采集器在進(jìn)行傳感器測試時，需要設(shè)置傳感器多個型號的要素，如風(fēng)速、能見度、數(shù)字氣壓、土壤水分、稱重雨量、蒸發(fā)等要素，設(shè)置的方法與信號源部分的相應(yīng)要素設(shè)置基本相同，區(qū)別在于采集器的設(shè)置不可以輸入?yún)⒘恐?。以氣壓傳感器的采集設(shè)置為例，進(jìn)入主界面系統(tǒng)設(shè)置，進(jìn)入通信參數(shù)設(shè)置界面，選擇對應(yīng)的通信端口，設(shè)置正確的通信參數(shù)，完成設(shè)置返回主界面。進(jìn)入主界面的平臺氣壓按鈕，進(jìn)入氣壓傳感器設(shè)置頁面，選擇所對應(yīng)的氣壓傳感器型號，完成設(shè)置返回主界面。

3.3 接口設(shè)計

為了提高測量效率，對設(shè)備接口進(jìn)行了特別的設(shè)計，既可以收集各種輸入信號和輸出信號，又可以防止多路信號電纜對被測試板的纏繞。此外，未做封裝的鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計則是可以方便使用示波器和萬用表等儀器的探針。信號源和轉(zhuǎn)接板通過一根排線進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)接板的電路集成了各種信號，通過更換不同的轉(zhuǎn)接板可實現(xiàn)不同采集器和信號源的連接，能夠通過觸摸屏和主控軟件實現(xiàn)對外界信號的輸出。用戶只需要將這個接口板與信號源連接起來，然后插入相應(yīng)的插頭就可以開始測試。通過改變工裝接口板，可以輕松地測試各種采集器，而無須擔(dān)心接口定義的復(fù)雜性，避免了接線不正確可能帶來的問題，最大限度減少了測試人員的工作量。

4 平臺軟件設(shè)計

平臺軟件主要由模擬源嵌入式軟件系統(tǒng)、采集通信模塊軟件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。其中，軟件控制系統(tǒng)由設(shè)備檢測、維修指導(dǎo)、維修信息管理、系統(tǒng)管理和幫助文檔等功能模塊組成，設(shè)備檢測模塊是核心模塊，包括模擬源管理、采集通信管理、綜合維修測試和性能分析測試模塊等。軟件總體功能模塊設(shè)計如圖2。

4.1 模擬源管理

通過使用模擬源管理，能夠提供各種不同的測試信號，包括各種型號的傳感器信號，如溫度、濕度、降雨量、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓和能見度等，以及采集器線路板上的板卡數(shù)據(jù)。主要實現(xiàn)控制各輸出通道是否輸出、輸出值和輸出模式，可以批量設(shè)置各通道。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的采集器類型自動匹配輸出端口，準(zhǔn)備后端數(shù)據(jù)格式、初始化系統(tǒng)顯示界面、通信參數(shù)[9]。

4.2 采集通信管理

通過使用采集通信管理，能夠采集各種型號的地面氣象傳感器信號，并且能夠?qū)Σ杉鬟M(jìn)行板卡控制和輸出數(shù)據(jù)設(shè)置。此外，該模塊還能夠為各種地面探測設(shè)備提供進(jìn)行性能評估和指令檢驗的通信通道，包括控制各輸入通道是否打開和配置通信參數(shù)等方面的操作。

軟件設(shè)計的傳感器測試界面具有快速測試功能，采集通信模塊將實時顯示當(dāng)前通信通道參數(shù)及傳感器通道采樣頻率，方便用戶使用。用戶也可以進(jìn)入通信管理模塊設(shè)置模擬源、采集板和主控面板的通信，使之能夠根據(jù)實際情況進(jìn)行系統(tǒng)配置。在執(zhí)行傳感器測試操作過程中，可以并行控制多個通道匯集數(shù)據(jù)。通過批量設(shè)置各通道，在測試和維修時，依照輸入的設(shè)備類型展示出所需的通道。在每次測試結(jié)束后，可依據(jù)測試對象設(shè)備的類型記錄和存儲相關(guān)參數(shù)，運用“加載設(shè)置”或“保存設(shè)置”按鈕，將這些建檔的參數(shù)將作為下一次測試相似設(shè)備時的預(yù)設(shè)配置。

4.3 綜合維修測試

作為地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺的主要功能，綜合測試維修模塊需要能夠與維修平臺硬件設(shè)施實現(xiàn)有效的交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。因此，該設(shè)計具有良好的可擴展性，可滿足不同型號地面觀測設(shè)備的接口和擴展需求。

綜合維修測試模塊主要包括被維修設(shè)備維修測試、故障件的查找等功能、采集器狀態(tài)讀取功能和采集器線路板級測試功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計使用萬用表和示波器對設(shè)備關(guān)鍵點進(jìn)行測試，完成對電路板具體故障元件的查找。該模塊的主要目的是幫助維修人員進(jìn)行設(shè)備維護和故障檢測，以確保設(shè)備正常運行[10]。

4.4 性能分析測試

性能分析測試模塊主要功能是分析采集器和傳感器等設(shè)備是否存在故障，可以持續(xù)監(jiān)測和評估采集器、傳感器等設(shè)備的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性能，確保被測試設(shè)備能夠長時間正常運行。進(jìn)行性能分析測試時，用戶可自定義分析測試的時間長短和采樣頻率，使用萬用表和示波器等進(jìn)行實時測試。同時，用戶可以分階段設(shè)置信號源，每個階段持續(xù)的時間長短和每個通道的信號輸出都可以進(jìn)行配置，實時刷新顯示每個測試數(shù)據(jù)的采樣值、實時曲線和數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行判定測試數(shù)據(jù)是否正常、缺測還是超差。

維修指導(dǎo)主要包括維修案例的檢索和專家?guī)斓南嚓P(guān)操作；維修信息管理和系統(tǒng)管理分別負(fù)責(zé)對維修數(shù)據(jù)、維修信息的查詢和系統(tǒng)用戶的控制等。幫助文檔則可查閱示波器、萬用表等工具文檔，方便用戶隨時調(diào)用[11]。

5 結(jié)束語

通過地面氣象觀測設(shè)備維修測試平臺設(shè)計和應(yīng)用，可以提高地面氣象裝備的現(xiàn)代化水平，延長氣象裝備的使用壽命。基層業(yè)務(wù)人員在使用該平臺的過程中，通過理論與操作實踐結(jié)合，可有效提升氣象裝備保障技術(shù)人員能力。平臺的建立進(jìn)一步完善了地面氣象監(jiān)測網(wǎng)的裝備保障環(huán)節(jié)，可結(jié)合市級氣象裝備保障業(yè)務(wù)的實際情況，搭配自動氣象站計量平臺、自動氣象站實訓(xùn)平臺和氣象觀測設(shè)備運行監(jiān)控平臺，形成市級地面氣象裝備的全流程保障，從而提供更加可靠的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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