綜合集成硬件控制器的設計與實現

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（北京）氣象科技有限責任公司，北京100081；3.北京華云東方探測技術有限公司，北京100081）

綜合集成硬件控制器的設計與實現

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（北京）氣象科技有限責任公司，北京100081；3.北京華云東方探測技術有限公司，北京100081）

針對目前地面氣象觀測中設備眾多、可擴展性不強等問題，本文設計了一種應用于地面氣象觀測的綜合集成硬件控制器。設計采用以ARM9為內核的芯片級微處理器運行Linux操作系統的技術，實現了兩種通信協議之間的轉換和多種硬件設備之間的集成通信，解決了諸如觀測設備眾多、采樣頻次高、觀測數據完整性要求高等難題。綜合集成硬件控制器設計完成后，在全國多個地面氣象觀測臺站進行使用，經過對使用情況進行統計分析，綜合硬件集成控制器運行穩定，具有集成度高，擴展性強的優點。

集成化；ARM9；Linux；綜合集成硬件控制器

1　引言

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

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

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

2　總體設計

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實現基于Linux系統的驅動接口軟件。網絡管理基于Linux系統自帶的TCP/IP協議棧開發，網絡接口模塊DM9000A接口方式實現。數據存儲采用SD卡作為存儲介質，SD卡具有質量輕、容量大、數據傳輸速率快以及移動靈活等特點，使用比較方便。為保證系統的可靠運行和異常情況恢復，系統復位分為兩種模式，即正常復位和恢復出廠設置。正常復位即一般的按鍵復位模式，電路設計上采用MAX811芯片，MAX811是一種MCU電壓監視器，能監視3 V、3.3 V以及5 V的電壓，低電平有效復位，具有低功耗以及精密電源監控的特點。觀測設備接口模塊分為RS-232/485/422模塊、光纖串口轉換模塊，兩種模塊與核心控制器接口統一采用TTL串行信號，接頭為DB9公頭，便于更換不同模塊的兼容性。上位機驅動軟件開發采用Windows的WDM（視窗驅動程序模塊）式驅動技術方法，驅動源代碼分為驅動入口、回調函數、附加函數等三大部分，實現對綜合集成硬件控制器的添加，網絡信息配置、通信參數設置，歷史數據下載和遠程在線更新等功能。

3　組成結構

綜合集成硬件控制器包括室內和室外兩部分，室外部分通過標準接口與觀測設備連接通信，室內部分業務終端通過UTP網線與光電轉換模塊連接進行數據通信，室內外通過光纖連接。硬件包含通信控制模塊、光電轉換模塊、交流防雷模塊、供電單元等。綜合集成硬件控制器的組成結構和接線如圖1、2所示。

圖1　綜合集成硬件控制器組成結構圖

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備；

（2）1個RJ45接口用于以太網信號輸出；

（3）1個RJ45接口用于多個通信控制模塊級聯；

（4）1對ST光纖收發接口，用于連接室內部分進行光信息傳輸；

（5）1個USB接口，用于設備調試；

（6）1個SD卡插槽。

綜合集成硬件控制器室內部分具備以下接口：

（1）1個RJ45接口，用于連接數據終端；

（2）1對ST光纖收發接口，用于連接室外部分進行光信息傳輸。

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備數據的接收、存儲，通信方式轉換，光電隔離，串行通信轉以太網通信，以太網通信轉光纖通信和通過指示燈顯示設備運行狀態等。

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路觀測設備，并具備擴展到16路觀測設備的能力，支持調試和數據通信傳輸（本地/遠程）功能。

3.2光電轉換模塊

光電轉換模塊實現以太網通信與光纖通信的轉換，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：設置網絡信息、設備聯網、設置串口信息、數據存儲、驅動程序、管理軟件、在線升級等。

綜合集成硬件控制器支持網絡信息設置，實現與業務終端的網絡通信。在業務終端成功安裝完成了綜合集成硬件控制器的管理軟件后，啟動配置軟件實現搜索設備IP、連接設備和對設備進行管理的功能；支持網絡信息（如IP、網關等）的動態配置、串口信息如波特率等的動態配置、歷史數據下載和設置用戶名密碼等功能，方便系統進行遠程管理與操作；支持每路串口信息進行設置，包括工作方式、波特率和數據位等具體內容；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個月的觀測數據，數據以文件形式存儲，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，應用程序可以虛擬串口。管理軟件可以設置網絡參數、串口參數、串口通信類型和用戶名與密碼等內容，并提供下載歷史數據等功能。在不更改任何硬件設備的前提下，計算機終端可以對綜合集成硬件控制器中的軟件進行遠程在線升級。

5　應用情況分析

截止2015年6月，全國27個?。▍^）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月共發生故障102次，其中主要的故障情況可歸結為：設備死機故障78次，占76.5%；網絡故障10次，占9.8%；聯網故障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生的故障情況當中，設備死機故障發生次數最多，主要表現為觀測數據不能正常上傳、終端軟件對觀測設備通信失效和不能正常響應等，聯網故障主要表現為綜合集成硬件控制器與業務終端無法通信，網絡故障主要表現為設備能正常工作，但觀測數據無法正常上傳，雷擊故障是野外用設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，而且不同模塊發生的故障原因也很多，有些是單獨發生的，有些是多種故障伴隨發生的，如設備在野外高濕環境下長時間工作，造成設備內部電子線路板損壞；如產品生產時，選取的某些零部件存在問題；如設備嵌入式軟件設計不合理，造成驅動異常、通信異常等。

6　小結

本文首先詳細介紹了綜合集成硬件控制器的設計思路、組成結構和主要功能，其次，統計并分析了綜合集成硬件控制器在臺站中應用情況和發生故障的原因，得到如下結論：

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

（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、穩定性好等優點，尤其應用在氣象觀測方面，可以很好的解決諸如觀測設備眾多、采樣頻次高、觀測數據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和質量的提升空間，還需要進一步優化系統結構設計和嵌入式軟件功能，改進設備生產工藝。

［1］王海勇.基于ARM9的嵌入式多串口服務器設計［J］.化工自動化及儀表，2013，40（3）：372-376.

［2］范永剛，劉紹方，董晶，等.基于ARM的高性能串口服務器的研究與實現［J］.計算機工程與設計，2012，33（4）：1378-1384.

［3］張林，紀洪準.基于串口服務器的選煤廠綜保后臺系統研究［J］.機電信息，2013（18）：142-143.

［4］吳小平，高平山，劉士忠.電力線串口服務器的設計與實現［J］.計算機應用研究，2006，23（9）：201-202.

［5］何紅.基于虛擬網絡技術的計量信息管理系統［J］.自動化儀表，2010，31（9）：37-39.

［6］況海龍，熊慶國.基于串口服務器的聲發射監測系統設計［J］.電子設計工程，2013，21（13）：91-93.

［7］馮偉浩.基于串口服務器于通信局站動力監控的組網及實施方案［J］.數字技術與應用，2013（7）：29-30.

［8］周青，梁海河，李雁，等.自動氣象站維修保障能力評估［J］.氣象科技，2012，40（3）:349-352.

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，碩士生，工程師.