船舶氣象儀測試系統的設計與實現

尚凡葵

（海裝北京局（某局）駐青島地區（某）軍事代表室，山東 青島 266001）

引言

海洋在人類社會的發展中有著至關重要的地位，對海洋進行詳細的觀察、了解是海洋資源開發和利用的基礎，并且對海洋的開發和利用不僅僅局限在對海上作業、海洋商業等，更重要的是海洋具有非常重要的戰略意義[1]。對海洋環境的監測包括對海上氣象的預測和環境的監測，船舶氣象儀是海洋環境監測的重要設備，在氣象要素觀測方面已經被廣泛地應用在各類船舶之上了。船舶氣象儀其本身自帶的各種氣象要素的監測傳感器能夠滿足海上航行過程中實時、連續地對船舶所在海域的風速、風向、溫度以及大氣壓等氣象情況進行監測[2]。掌握海上航行過程中的氣象要素信息對船舶在航行、靠岸以及拋錨等動作時提供安全信息的參考。同時氣象儀具有非常強大的自身存儲能力，能夠對監測的氣象信息進行記錄，其記錄的寶貴信息數據，對我國研究開發海洋環境有著非常重要的意義。因此氣象儀的正常穩定運行是保證上述工作完成的基礎，對氣象儀進行實時綜合檢測，能夠保證氣象儀長期穩定地處于正常工作狀態，為船舶的安全航行和研究海洋環境提供技術保障[3]。

1 船舶氣象儀測試系統總體設計

船舶氣象儀測試系統根據實際功能需求分析，需要實現以下功能：

1）船舶氣象儀測試系統需要直接連接不同種類的檢測氣象的傳感器，可以直接檢測出傳感器的故障；

2）能夠仿真不同種類氣象要素傳感器的功能，在直接連接后能夠檢測出傳感器的主電路板的狀態；

3）具備通信檢測功能，能夠檢出通信模塊的狀態；

4）能夠對自身的運行狀態進行檢測，保證自身工作狀態實時在線；

5）船舶氣象儀測試系統還應具有存儲和顯示功能，能夠直觀地實時地對各部分的狀態進行實時顯示，并對原始數據進行存儲[4]。

為了滿足船舶氣象儀測試系統的功能需求以及其他的接口要求，最終選擇AT90CAN128 型號芯片的AVR 單片機作為船舶氣象儀測試系統的核心處理單元。

2 船舶氣象儀測試系統硬件設計

船舶氣象儀測試系統的硬件設計方面其主要的控制單元是主機模塊，主機模塊主要完成的任務有人機交互、按鍵功能的實現，其供電系統利用的是220 V 的交流電源和可充電的鋰電池兩種方式。主機模塊的人機交互功能通過顯示屏和功能按鍵共同組成，顯示器采用型號EW50855BMW 型號的顯示器，尺寸參數為139 mm×120.5 mm×13.2 mm，該型號的顯示器的點陣為320×240，分辨率等方面都能夠滿足船舶氣象儀測試系統的使用要求。功能按鍵模塊采用的是2×4 矩陣，來分布8 種不同功能的按鍵。檢測氣象儀模塊是由主處理器、仿真傳感器以及信號3 個單元組成的，仿真傳感器單元是由不同的氣象要素的仿真電路組成的，主要有風速、風向、溫度、濕度、氣壓、能見度以及降水量的信號仿真電路組成的。按照主處理器的相關指令要求，將信號分為3 種低、中、高的信號，并將傳感器檢測到的信號進行傳輸，同時能夠直接連接船舶氣象儀內部的各項電路板，對電路板的電路進行正常的檢測和處理。檢測傳感器模塊是通過不同氣象要素的信號處理單元的調理電路組成的，通過將主處理器發送的指令實現對各項信號的采集，并將結果傳遞至主機。

3 船舶氣象儀測試系統軟件設計

船舶氣象儀測試系統主機模塊完成的工作是對各氣象要素的傳感器進行檢測，對船舶氣象儀測試系統進行自檢以及對氣象儀自身進行檢測。在進入到系統界面后通過按鍵的形式對其進行操作。主機模塊的操作流程如下：首先是整個系統的啟動，啟動后系統進行初始化設置，初始化完成后開始檢測是否有按鍵操作，當出現按鍵操作時能夠對時間進行識別，當其時間確定達到要求后，就能對顯示屏上的界面信息進行更新。

船舶氣象儀測試系統檢測氣象儀模塊完成的是對氣象儀的電路板的檢測。檢測過程如下：系統啟動，啟動完成后開始對整個系統進行初始化，初始化完成后是否能夠接收到主處理器發送的檢測命令，當接收到檢測命令后，根據信號對監測命令的種類進行判斷，隨后仿真電路能夠開始對各電路進行仿真輸出，按照命令信號依次對相應的電路板進行狀態的檢測，最后將檢測到的結果命令發送至主機，發送完成后等待下次命令的輸入。

船舶氣象儀測試系統還需要完成對傳感器模塊的檢測。傳感器模塊檢測的系統流程如下：系統啟動，啟動完成后在檢測單元接收到來自主機的命令后，能夠根據命令檢測傳感器的類型，根據信號對應的傳感器對其進行檢測，檢測后對采集的數據進行分析，判斷傳感器的工作狀態，并將分析完成后的數據發送至主機，同樣是等待下次命令的操作。

4 船舶氣象儀測試系統的應用驗證

為了保證船舶氣象儀測試系統的使用能夠滿足相應的使用要求，在完成其硬件和軟件的匹配后需要對這兩部分進行相應的檢測和試驗。首先是對主機模塊進行試驗，主機模塊試驗是檢測人機交互界面和能否通過按鍵完成相應的界面變化。同時為了檢測主機模塊與其他兩種模塊的通信功能，需要通過按鍵對其進行通信試驗，主機模塊的鋰電池檢測是將鋰電池充滿電后，檢測其是否能夠讓主機模塊連續工作時間達到3 h。主機狀態檢測完成后需要對氣象儀模塊進行實驗驗證，將不同的相對應的電路板分別插入到檢測的總線槽內進行測試，當主機模塊能夠分別依次識別相對應的狀態時，就說明其能夠滿足要求。對傳感器模塊進行檢測，傳感器模塊的檢測驗證是將各傳感器的電路分別接入到傳感器檢測模塊，通過主機模塊對各接入電路檢測的相對應的物理指標進行檢測，當其檢測結果滿足時，能夠說明其滿足使用條件。

通過對三大模塊的測試驗證，船舶氣象儀測試系統能夠完成上述的相關功能要求，并且能夠準確檢測出相對應的氣象要素，實現對氣象儀的自身電路以及各傳感器狀態進行準確的識別，在測試驗證的過程中整個系統工作穩定，操作人員使用方便，人機交互界面較容易讀懂，能夠滿足船舶氣象儀的預期設計要求。

5 結語

船舶氣象儀的正常、高效運行直接關乎著船舶的海上作業安全以及海洋環境相關原始數據的存儲，能夠為我國研究海洋和開發海洋提供基礎。根據船舶氣象儀測試系統的功能需求分析，設計了一套船舶氣象儀測試系統，船舶氣象儀測試系統分別由主機模塊、檢測氣象儀模塊以及檢測傳感器模塊組成的，根據船舶氣象儀測試系統的總體設計要求，結合實際情況，對主處理器芯片進行選型，并且確定了采用AT90CAN128 型號芯片的AVR 單片機作為船舶氣象儀測試系統的核心處理單元。詳細闡述了船舶氣象儀測試系統的硬件系統設計，對其系統的軟件部分三大模塊中每一模塊的工作流程進行了詳細的設計。最后根據三大模塊不同的實際工作情況分別進行了測試驗證，在驗證的結果中發現船舶氣象儀測試系統能夠較好地實現人機交互，能夠完成對氣象儀自身的自檢和對各傳感器進行綜合檢測，對船舶氣象儀有著較好地測試和故障診斷，驗證過程中整個系統工作穩定可靠，相關數據的檢測準確，續航時間長，能夠滿足船舶在航行過程中對氣象儀測試功能的需求。