地面氣象保障業務研究

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1綜合標準信號源的功能需求及組成結構

作為地面氣象保障測試儀器，綜合標準信號源的組成結構與氣象觀測傳感器的種類、信號輸出電參量、信號源功能有關[1]。為便于應用，信號輸出通道應該為并行輸出通道，也就是每種要素傳感器使用一個通道，不同要素傳感器信號可以同時輸出。總結目前國內主流自動氣象站所用傳感器，傳感器類型及輸出信號種類如表1所示。再考慮同類傳感器具有不同的型號，如風向、風速傳感器，不同型號的同類傳感器輸出電參量類型一致，但氣象要素值與電參量的轉換公式不同，這樣存在同一信號輸出通道不同傳感器型號選擇的功能需求[2]。另外，標準信號源應該具有輸出值設置及運行狀態、設置信息顯示功能。自動氣象站綜合標準信號源組成結構包括主控單元、顯示屏、操作鍵盤、各種傳感器模擬信號輸出電路及信號輸出端口，結構圖如圖1所示。標準信號輸出為并行輸出設計，所有要素標準信號同時提供，所以圖1中的接口板提供了各類信號的輸出通道。圖1中的信號處理電路主要完成在核心處理器控制下的各類標準信號的選通、變換功能，詳細功能結構如圖2所示。其中溫度信號采用標準電阻的選通控制輸出，即溫度以特定值的形式輸出，考慮應用的完善，特定值可以設置為：－50℃(80.31Ω)、－30℃(88.22Ω)、－10℃(96.09Ω)、0.00℃(100.00Ω)、10.0℃(103.90Ω)、30.0℃(111.67Ω)、50.0℃(119.40Ω)、80.0℃(130.90Ω)。

2綜合標準信號源硬件、軟件設計簡介

本文所述綜合標準信號源為智能化系統，所以硬件設計應選擇嵌入式系統作為系統核心，應用高性能、低功耗的微處理器STM32開發是個比較經濟的解決方案，可以采用32位STM32F103X系列微控制器作為主控芯片，通過庫函數開發嵌入式固件程序控制外圍功能電路實現信號通道的輸出控制[3]。在固化程序方面，利用庫函數編程技術，程序可讀性及可擴展性強，能夠有效實現綜合標準信號源各項功能。程序運行流程為設備開機后，系統自動根據上次的設置值輸出各類信號，用戶根據鍵盤選擇要素進行設置，設置內容包括傳感器類型、輸出值、輸出電平、串口通訊參數等，設置完成后主控單元執行特定的程序控制外圍電路輸出用戶所需標準信號，顯示器同屏顯示正在輸出的各通道氣象要素量及對應的電參量。綜合標準信號源一般在地面氣象觀測設備運行現場應用，屬于便攜設備，所以電源模塊應配備電池及充放電控制電路。溫度信號使用標準電阻序列，MCU根據用戶設置控制選通開關輸出特定的電阻值。氣壓、風向等傳感器模擬電壓轉換使用D/A轉換電路。蒸發傳感器模擬電流應用D/A轉換電路配合標準電阻進行輸出。雨量脈沖信號其實是干簧管的通斷控制的開關電路，需要有激勵源的特別處理。風速、風向等脈沖或頻率信號需要應用電平選擇控制電路。

3綜合標準信號源在地面氣象保障業務中的應用

應用于自動氣象站采集器現場校準及備份采集器加電測試。首先將綜合標準信號源通過專用信號線連接到采集器，然后開機，根據自動氣象站采集器校準方法依次設置好標準信號源各要素的輸出值和通訊參數之后，再讀取采集器所采集到的各要素值或其他臺站參數等。將獲取到的采集器要素值與標準信號源輸出值進行對比來判斷該采集器是否正常[4]。應用于自動氣象站在線故障檢測。測試儀的標準信號源可以對自動站進行在線故障檢測，一般使用排除法，依次將標準信號源輸出的信號接入自動站各個接入點，通過查看對比采集器采集到的數值與輸出的標準值來判斷故障位置，達到快速準確排除故障的目的。例如濕度故障的檢測。針對CAWS600系列和DZZ5、DZZ6自動站，當濕度出現故障時，從傳感器一端開始檢查，首先取下傳感器，使用標準信號源設置好需要的濕度輸出信號并將其接入信號傳輸線，查看監控軟件的濕度值是否與設置值一致，如一致則為傳感器故障；如不一致則繼續使用標準信號源來檢查下一節點，即主采集器機箱防雷板的信號接入端，查看數據是否一致，如一致則為信號線纜故障；如不一致則將標準信號源信號直接接入采集器，查看數據是否一致，如一致則為防雷板故障，如不一致則為采集器故障。針對DZZ4自動站，當濕度出現故障時，從傳感器一端開始檢查，首先取下傳感器，使用標準信號源設置好需要的濕度輸出信號并將其接入溫濕度分采，查看監控軟件的濕度值是否與設置值一致，如一致則為傳感器故障；如不一致則檢查分采的運行狀態指示燈并查看分采數據，如數據異常則為分采故障。針對DYYZII自動站，當濕度出現故障時，從傳感器一端開始檢查，首先取下傳感器，使用標準信號源設置好需要的濕度輸出信號，并將其接入到信號傳輸線，查看監控軟件的濕度值是否與設置值一致，如一致則為傳感器故障；如不一致則繼續使用標準信號源來檢查下一節點，即外轉接板的信號接入端，查看數據是否一致，如一致則為信號線纜故障；如不一致則將連接主采的7芯信號電纜的濕度信號與標準信號源連接，查看數據是否一致，如一致則為外轉接板故障；如不一致則將標準信號源信號直接接入采集器，查看數據是否一致，如一致則為7芯信號電纜故障，如不一致則為采集器故障。

4結束語

通過分析綜合標準信號源的設計方案、應用方法等，技術人員系統地梳理了各型號地面氣象探測設備中傳感器的種類、型號及輸出信號的差異，經過實際電路設計，實現了綜合標準信號源樣機的設計制造，并應用于地面氣象探測設備保障業務。由于地面氣象探測中傳感器類型較多，而且同種傳感器不同類型之間往往有一定差別，設計綜合標準信號源要重點考慮其可靠性、實用性及易用性。

參考文獻：

[1]安學武，趙建凱，包偉智，等.一種基于專家庫的地面氣象探測設備遠程技術支持系統[J].內蒙古氣象，2018(3)：40-43.

[2]安學武，趙建凱，包偉智，等.基于STM32的手持式地面氣象探測設備維修測試儀設計[J].電子世界，2018(8)：192-193.

[3]李艷，安學武.一種自動氣象站綜合測試系統的設計[J].內蒙古氣象，2017(6)：28-31.

[4]趙建凱.關于自動氣象站結構與原理的構想[J].南方農機，2019，50(5)：228+236.

作者:安學武 單位:內蒙古自治區大氣探測技術保障中心