風向傳感器現場自動核查儀系統設計

鄭俊錦，夏利娜，韓偉中，唐 震

(1.福建省大氣探測技術保障中心，福州 350008; 2.福建省氣象服務中心，福州 350001; 3.新疆維吾爾自治區氣象臺，烏魯木齊 830002)

0 引言

地面氣象觀測中所測量的風是水平運動的二維矢量，包括風速和風向[1]。風向指的是風的來向，是重要的地面氣象觀測要素之一，目前我國各級氣象臺站廣泛使用的是格雷碼盤式風向傳感器，其主要部件包括：風向標、格雷碼盤、光電管組、外殼和信號線插座等。風向標隨風旋轉時，帶動同軸的格雷碼盤同時旋轉。對于七位格雷碼風向傳感器，每轉動約2.812 5°(即360°/27)，傳感器內部光電管組則會產生7位新的格雷碼電平。格雷碼是一種無權碼[2]，屬于可靠性編碼，相鄰的兩個碼值只有一個二進制位不同，特別適合于具有單步和循環特性的風向傳感器(轉角位移輸出信號)，可減小風向測量時隨機取數時出現較大誤差的可能性。

風向傳感器故障主要分為機械故障和電路故障[3]。其中機械故障主要為顯性故障(包括風向標轉動故障和碼盤變形缺損等)，可以通過觀察傳感器外觀和測試轉動性能等方式來排查；而電路故障除傳感器完全不能工作外，主要為隱性故障，故障原因包括傳感器內部的光電對管損壞、插頭脫焊和線纜損壞(如機械損傷、鼠咬破損或者長期使用造成的老化)等，此時通常會使得部分格雷碼點位輸出錯誤，即傳感器不會完全停止工作而是繼續“正常”輸出信號。如果未及時發現此問題并進行傳感器維修或更換，數據中心雖然不會有數據缺測的反饋，但是據此解算出的風向值為錯誤值，會嚴重影響觀測數據的質量。例如某國家基本氣象站即存在此類故障近2個月卻未及時發現[4]：從4月24日起至6月8日，風向值雖然未缺測但是只在ESE-WSW之間變化，疑似為錯誤值。業務人員通過將主站(疑誤風向傳感器在主站)與備份站風向值記錄對比發現，主站風向在方位 W-N-E之間均無記錄，并且在方位SE-SW度之間風向出現頻率較備份站正常記錄明顯偏多。經業務人員測量采集器端的格雷碼電平發現：在不同風向下，D5腳始終是高電平(4.5 V以上), 而D4腳始終是低電平(1 V以下)。因此可判斷是格雷碼D4和D5異常。經過檢查通信線纜發現：線纜中D5與電源線破皮短接，D4線纜斷裂開路。

上述隱性故障的排查方法包括使用核查裝置事前檢測和利用風向數據事后反查。目前業務應用的風向核查裝置主要為JJE10 型風向核查儀[5-7]，其風向示值校驗采用同步轉動方法進行，適用于各類風向傳感器的定性定量測量。然而該裝置需要人工觀察和記錄，無自動輸出檢測結果的功能。趙建凱[8]通過使用STM32單片機設計了EL15-2C風向傳感器檢測儀，可以實現格雷碼和風向值的檢測，以及故障結果輸出，但是只檢測數值的連續性，而無法檢測傳感器碼盤偏位故障，同時未利用格雷碼自身特性而對所有格雷碼數據進行比對，檢測效率不夠高并且沒有風向值的顯示。李秀英等[9]通過總結風向傳感器故障時錯誤方位示值規律，無需測量格雷碼，只要根據錯誤方位示值判斷故障點。但是需要準確地將風向標旋轉到某一風向值范圍內(對工作人員技術水平要求高)甚至是某具體風向值(要借助專門的角度盤來定位，較難操作)。張永軍[10]等提出的基于分布律規則的風向傳感器故障檢測算法雖然能夠在不拆下風向傳感器的情況下準確發現和判斷風向傳感器單一或組合式故障類型，此外，還有反查格雷碼法[11-12]等方法。但是這些事后通過數據核查具有一定的滯后性，使得故障期間的觀測數據不可用，并且無法補測。

為此，本文從風向傳感器核查工作的實際需求出發，同時考慮到現有風向傳感器核查儀檢測方法不夠全面(只利用到部分格雷碼本身所固有的特性)且操作較繁瑣等問題，研制了基于單片機的風向傳感器現場自動核查儀系統。風向傳感器通過接口模塊連接入系統，系統可自動讀取格雷碼和解算出風向值進行故障檢測，最后可自動生成檢測結果并輸出，輸出方式包括LED指示燈、數碼管和蜂鳴器等。同時，該核查儀便攜易用，采用電池供電，風向傳感器接入后即可直接檢測，無需額外對傳感器供電。

1 系統總體設計

本系統以單片機為核心，通過模塊化的電路設計，完成相關功能模塊的設計。系統主要由單片機、供電模塊、接口模塊、按鍵模塊、顯示模塊和聲音模塊等組成，系統框圖如圖1所示。供電模塊包括升壓或降壓模塊將電池電壓調節后給系統供電。風向傳感器通過接口模塊連接入系統，單片機通過IO口連接并讀取風向傳感器的數據。人機交互方式主要通過按鍵模塊、顯示模塊和聲音模塊來實現：使用者通過按鍵模塊向系統輸入，例如切換工作模式等；系統通過顯示模塊和聲音模塊實現信息輸出，例如格雷碼、風向值和聲音提醒等功能。

圖1 系統框圖

2 系統電路設計

2.1 控制系統電路設計

由于系統除了需要連接和識別風向傳感器(輸出為7位格雷碼的風向傳感器需要7個IO口)以及對格雷碼、風向值和檢測結果等信息進行顯示(顯示模塊包括LED燈和數碼管等)外，還需要識別按鍵和控制蜂鳴器等。同時，為了使得系統電路更加簡單可靠，因此主控芯片選擇有較多IO口的單片機，本文選用封裝為LQFP44的國產單片機STC15F2K60S2[13-14]。它是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的單片機，采用STC-Y5超高速CPU內核。它具有無法解密、高可靠、高速(速度比傳統8051單片機快8～12倍，并且兼容其代碼指令)和低功耗等特點。其內部集成高可靠性的R/C時鐘，可省去外部復位電路和晶振，并可ISP編程可選設置于5～35 MHz。STC15F2K60S2-LQFP44具有42個IO口，其工作電壓為4.5～5.5 V,Flash程序存儲器為60 k，大容量SRAM為2 K,高速異步串行口有2組，具有3個普通定時器/計數器T0～T2為16位可重裝載，外部管腳也能掉電喚醒。具有3路CCP/PWM/PCA(可再實現3個定時器或者3個D/A轉換器)。具有5個外部中斷。具有掉電喚醒專用定時器。具有1組高速串行通信端口SPI。其內部EEPROM為1 K。具有看門狗。可對外輸出趕時間及復位，可設置下次更新程序需要口令。支持RS485下載。

2.2 電源模塊

由于本系統的應用場景主要是在野外，因此選用電池供電，本系統采用9 V方塊電池6LR61。同時由于本系統的單片機和其他主要元器件的供電電壓為5 V，因此還需要將9 V電壓經過降壓模塊降壓形成5 V電壓進行供電，降壓模塊選用150 kHz固定頻率的PWM DC開關穩壓電源換器LM2596S-5.0[15-16]。它具有3A輸出電流驅動能力，高效率、高線性調整率、負載調整率和低紋波等特點。該芯片還提供了工作狀態的外部控制引腳，其應用電路簡單，僅需極少的外部元器件。此外，該芯片還內置過流過溫保護等功能。輸入電壓范圍為4.5 V到40 V。電路圖如圖2所示。

圖2 降壓模塊電路圖

2.3 接口模塊

圖4 顯示模塊電路圖

目前氣象部門應用范圍較廣的格雷碼式風向傳感器主要為中環天儀(天津)氣象儀器有限公司生產的EL15-2C[17]和江蘇省無線電科學研究所有限公司生產的ZQZ-TF[18]。其傳感器底部航空插頭分別為19芯和12芯的公座，航空插頭座焊裝接線定義如表1所示。為了能檢測風向通信線纜(即在現場核查時，將風向通訊線端子從主采集器風向接口拔出，然后插入核查儀系統即可測試)，本系統的接口模塊選用與自動氣象站主采集器的風向接口相同的接線端子：5.08 mm接線端子2EDG5.08-9P公座。同時，本系統也可通過轉接線直接檢測風向傳感器，即分別將兩種風向傳感器對應的航空插頭母座焊接線纜連接到5.08 mm接線端子2EDG5.08-9P母座。測試時，將該母座連接入核查儀系統即可測試。

表1 EL-2C和ZQZ-TF航空插頭座焊裝接線定義表

風向傳感器經由接口模塊直接與單片機IO相連，單片機通過識別對應IO口的電平狀態：低電平時對應的格雷碼點位為“0”；高電平時則對應的格雷碼點位為“1”。據此可解算出對應的格雷碼值及風向值。七位格雷碼式風向傳感器的接口模塊電路圖如圖3所示。

圖3 風向傳感器接口模塊電路

2.4 顯示模塊

顯示模塊主要包括LED指示燈和數碼管。其中數碼管用于顯示風向值和測試結果等信息，選用3位共陽數碼管，采用動態掃描的方式來控制(利用人眼的“視覺暫留現象”，逐個快速切換顯示不同位的數碼管，使得看起來數碼管的3位數字是同時顯示的)；LED 指示燈用于顯示系統工作模式和格雷碼，分別選用2個3 mm單色LED和7個3 mm共陰紅綠雙色LED。2個單色LED分別用于顯示系統的工作模塊。實時格雷碼及格雷碼檢測結果使用雙色LED：當格雷碼電平變化時雙色LED的紅燈的亮滅狀態切換(即格雷碼輸出“1”時，紅燈點亮，格雷碼輸出為“0”時，紅燈熄滅)；當系統檢測模式且已經完成了一個檢測周期時，若通過故障檢測則對應的格雷碼點位綠燈常亮，若未通過故障檢測則紅燈閃爍。顯示模塊電路圖如圖4所示。

2.5 按鍵與聲音模塊

按鍵用于切換系統工作模式：檢測模式(自動重復進行風向傳感器故障檢測)和顯示模式(實時顯示格雷碼和風向值)。聲音模塊選用有源蜂鳴器(其內部帶有震蕩源，只要一通電就會鳴叫)，通過PNP三極管來控制蜂鳴器的通電與否及通電時間：連接三極管的IO口為低電平時三極管導通，蜂鳴器鳴叫；IO口為高電平時三極管則截止，蜂鳴器靜音。根據不同的檢測結果信號輸出不同的聲音信號(例如長鳴和急促間歇鳴叫等)以提醒使用者。按鍵與聲音模塊電路圖如圖5所示。

圖5 按鍵與聲音模塊電路圖

3 系統軟件設計

本系統的程序設計主要為單片機編程。風向傳感器經轉接線或自動氣象站自帶的通信線纜連接到本系統，通過按鍵切換系統工作模式(檢測模式和顯示模式)。顯示模式實時顯示風向傳感器的格雷碼值及對應的風向值；檢測模式則利用識別和解算出來的風向值，根據故障檢測算法對接入的風向傳感器進行故障判斷。以下主要介紹檢測模式的故障判斷邏輯，程序流程圖如圖6所示。故障檢測的判斷邏輯主要包括：格雷碼點位檢測和風向值檢測。其中格雷碼點位檢測主要是檢測風向傳感器輸出的格雷碼數值是否符合格雷碼的自身特性；風向值檢測則主要利用風向傳感器在旋轉過程中風向值的出現規律進行故障判斷。

圖6 系統程序流程圖

3.1 格雷碼點位檢測

將風向傳感器朝同一方向轉動1周以上，針對傳感器輸出的格雷碼信號按如下的方法進行故障檢測：

1)由于風向傳感器在旋轉過程中，格雷碼的每個點位的輸出既有高電平(即“1”)又有低電平(即“0”)。因此，當某位格雷碼的輸出電平沒有變化(即只識別到“0”，或者只識別到“1”)時，則認為此位格雷碼異常，可直接判定該風向傳感器故障。例如D0始終為“0”(或者始終為“1”)則可認為D0位損壞，該風向傳感器存在故障。

2)由于格雷碼本身就具有如下的特點：任意兩個相鄰的碼值只有一位二進制數不同。因此，當檢測過程中，風向傳感器相鄰輸出的2組格雷碼之間的差異不止1個點位時，則可判定該風向傳感器存在故障。

3)根據傳感器廠家提供的《風向角度與7位格雷碼對照表》，如表2所示，我們可以發現格雷碼不同點位的“0”和“1”是交替出現的，并存在如下規律：

D0(即最右邊點位)，2(即21)個“0”和2個“1”交替出現；

D1，4(即22)個“0”和4個“1”交替出現；

D2，8(即23)個“0”和8個“1”交替出現；

D3，16(即24)個“0”和16個“1”交替出現；

D4，32(即25)個“0”和32個“1”交替出現；

D5，64(即26)個“0”和64個“1”交替出現；

D6，64(即26)個“0”和64個“1”交替出現；

當風向傳感器朝同方向轉動時，也可根據各個點位的出現頻率是否符合如上的規律來判斷格雷碼是否異常。若不符合則認為風向傳感器是異常的。由于風向傳感器的初始位置不確定，因此檢測時分別從每位格雷碼第一次檢測到電平變化時，開始記錄統計。同時在測試時通常只要求轉動1周多，D5,D6在識別電平變化時開始計數，有可能不會完整地識別到連續的64個“0”和64個“1”的間歇變化。因此，在此步驟時，只進行D0～D4的檢測，默認D5,D6正常(若D5,D6異常，在接下來的風向值檢測中也會被檢測出來)。

表2 風向角度與7位格雷碼對照表

當以上3項故障檢測均通過時，則認為風向傳感器的格雷碼點位檢測結果為正常。

3.2 風向值檢測

風向傳感器的格雷碼輸出信息最終需要經采集器轉化為風向值，因此還需要進行風向值檢測。中國氣象局部門計量檢定規程JJG(氣象)004-2013《自動氣象站風向風速傳感器》[19]中規定,風向實驗室檢定規定的檢定點是:0°、 45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。但是考慮到：(1)格雷碼點位也可能存在工作不穩定的狀態(即在檢定點時格雷碼各點位工作正常但是其他風向點時卻異常)；(2)若只在上述點位進行檢測則需要對風向標嚴格定位，然后再讀取風向值檢測是否異常。由于本系統主要應用于野外現場核查(觀測場均在野外)，由于風和人手抖動的影響，使得讓風向標擺動到在某個核查點并且保持絕對靜止是較為困難的[20]。(3)如果全部取消核查點檢測，則可能會造成無法識別碼盤偏位故障(即碼盤輸出的格雷碼所解算的風向值與真實值存在偏移)。因此，風向傳感器現場核查儀需要盡量減少核查點，本系統只選用0°這1個檢測點(因為風向傳感器外殼在0°點通常自帶有明顯的豎線標識，較好定位)并進行全部風向值的檢測。

在朝同方向(順時針或逆時針)轉動風向傳感器時，我們實時解算出對應的風向值序列存在如下的規律(如表2所示)：順時針轉動時，風向值的變化規律為數值依次增大，當跨越357°時，下一個值為0°；逆時針轉動時，風向值的變化規律為數值依次減少，當跨越0°時，下一個值為357°。因此，也可利用此變化規律來判斷傳感器是否異常。

在進行風向值檢測時，轉動風向傳感器朝同方向轉動1周以上，根據解算出來的風向值是否滿足如下的規律進行故障檢測：(1)風向標轉到0°位置時，讀取的風向值為0；(2)風向值按遞增或遞減的順序依次變化；(3)每個風向值都有出現(所有風向值如表2所示)。當某風向傳感器不能滿足以上的3個條件的任意一條時，則認為其存在故障；當某風向傳感器同時滿足以上的3個條件時，則認為風向傳感器的風向值檢測結果為正常。

3.3 檢測結果輸出

根據格雷碼點位和風向值的檢測結果情況，即可判斷風向傳感器是否正常：當上述2個檢測都通過時傳感器正常，否則傳感器為異常。檢測結果的輸出主要通過雙色LED、數碼管和蜂鳴器來體現。檢測結果對照表如表3所示。

4 系統測試與分析

系統研制完成后，為了檢驗本系統設計的可靠性和準確性，還進行了模擬測試和實際應用測試。系統實物圖如圖7所示。模擬測試即模擬常見故障情況進行測試，主要包括開路和風向缺失等故障，模擬測試結果見表4所示，其中M,N取值范圍為0～6，并且M和N不相等。從表中可以看出，本系統能有效地排查出有故障的風向傳感器。同時本系統可將檢測周期縮短至5秒。

表3 檢測結果對照表

圖7 系統實物圖

模擬格雷碼點位異常故障1～3時，由于檢測到的格雷碼點位DN不滿足上述格雷碼點位檢測中的方法(1)，因此DN對應的LED指示燈紅燈閃爍。同理，當不止一位格雷碼點位存在開路、始終為“0”或“1”時，對應點位的LED指示燈紅燈閃爍。

模擬格雷碼點位異常故障4時，檢測到的格雷碼點位滿足上述格雷碼點位檢測中的方法(1)但是不滿足格雷碼點位檢測中的方法(2)。例如當N=0,M=1時，在風向為11°和17°時，格雷碼分別為“0000111”和“0000100”，不滿足格雷碼“任意兩個相鄰的碼值只有一位二進制數不同”。

模擬風向值缺失故障時，檢測到的格雷碼點位滿足上述格雷碼點位檢測，但是解算出來的風向值由于有缺失值不滿足風向值檢測，因此全部點位的LED綠燈常亮，數碼管顯示“Err”。

表4 模擬測試結果

實際應用測試：即在實際業務工作中進行測試，使用本系統和現有的相關儀器進行對比檢測驗證。同時當檢測到傳感器異常時進行驗證(包括使用萬用表等儀器測量或送檢確定故障)。2021年10月以來，本系統已在福建省氣象計量檢定所、漳州市氣象局、龍巖市氣象局和南平市光澤縣氣象局試用，反饋良好，無工作異常情況，能夠較好地滿足格雷碼式風向傳感器的核查工作需求。

5 結束語

本文從格雷碼式風向傳感器核查的工作實際需求出發，設計研發了風向傳感器現場自動核查系統。該系統便攜易用，可快速對風向傳感器的格雷碼點位、逐個風向值和通信線纜等進行檢測。風向傳感器直接接入后即可進行檢測，無需對傳感器進行額外供電。同時，該系統體積小，重量輕，便攜易用，檢測周期短，檢測結果輸出快，可快速高效地完成風向傳感器的核查工作。

考慮到風向傳感器隱性故障較難發現，除了要求臺站工作人員定期進行核查，在今后的工作中，也可將本系統進行相應的修改后，掛接在業務運行的自動氣象站主采集器的風向傳感器接口上，進行在線故障檢測。檢測算法可做出相應的修改：檢測時間周期可適當延長(在較長時間周期內，風向傳感器在自然風的吹動下，也會轉動一周以上)；采用格雷碼點位檢測(格雷碼的每個點位的輸出既有高電平又有低電平、相鄰2組的格雷碼只變化1個點位)和風向值檢測(當風向傳感器轉動1周以上時，每個風向值應該都能識別到)進行故障檢測。同理，對其他位數格雷碼輸出的風向傳感器也可采用類似的檢測方法。