地面氣象觀測設備維修測試平臺設計

摘 要：隨著氣象觀測設備自動化的成熟與普及，觀測設備得到及時、正確的維修檢測和保障成為當前的主要工作之一。地面氣象觀測設備維修測試平臺的開發，實現了對主要地面氣象觀測設備的故障診斷、維修保障和性能測試，包括自動氣象站、自動土壤水分站等。結合萬用表等通用設備對被測采集器接口板及主板的元件級關鍵點進行測試，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備的組成，分析了地面氣象觀測設備維修測試平臺結構，探討了平臺硬件設計和平臺軟件設計。

關鍵詞：自動氣象站；傳感器；維修

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

福建省地處中國東南沿海地區，常遭受暴雨、臺風等氣象災害的侵襲，自動地面氣象觀測設備是不間斷監測災害性天氣最快速、直接的手段。經過多年的發展，當地氣象監測能力有了明顯進步。隨著質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備數據質量按月、年考核，實行通報制度，并納入氣象部門常規目標考核，對各級氣象部門設備保障工作提出了更高的要求，相對應的設備維修與測試等工作也需要更加精細化[1-2]。隨著地面氣象觀測站網規模的擴大、設備使用年限的增加，氣象設備出現的故障也越來越多。因此，建立高效、智能的地面氣象觀測設備維修測試平臺顯得尤為重要。地面氣象觀測設備維修測試平臺的開發，不僅可以檢測傳感器和采集器的故障情況，還可以根據國內地面觀測設備的實際運行情況和維修保障經驗來調整系統的性能，幫助公眾更好地了解氣象觀測設備的故障特征，為自動觀測設備提供更加準確的故障檢測服務[3]。

1 地面氣象觀測設備的組成

地面氣象觀測設備的核心部件是采集器和傳感器，與電源、通信設備等附屬設備組成完整系統。采集器和傳感器的故障數在整個地面氣象觀測設備的占比較高，電源部分通常為成本較低的通用設備，維修意義較小，通信部分設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，其他附屬設備則主要考慮采用萬用表等工具進行簡單測試[4]。

采集器主要負責接收各種傳感器傳輸的信號，通過處理并按照一定的格式形成數據，進而將數據傳遞至控制系統。要檢驗采集器是否運作正常，必須配備帶有標準信號源的要素信號生成系統，標準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據與標準信號源的數據相對比，比較兩者以確認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行，設計一個傳感器要素信號接收系統，用來接收被測傳感器的信號，并與平臺上的標準傳感器信號進行比對，根據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 地面氣象觀測設備維修測試平臺的結構

地面氣象觀測設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、自動氣象站要素信號接收系統的綜合維修測試系統，結合可調電源、電焊臺、萬用表、示波器和個人電腦等模塊化通用設備，加上平臺軟件部分，可實現地面氣象觀測設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備電路板關鍵點測試。地面氣象觀測設備測試維修平臺組成結構圖（圖1）。

3 平臺硬件設計

作為軟件部分實現功能的基礎，平臺硬件部分主要功能是產生和采集信號，通過對現代電子技術的深入應用，借鑒現有地面氣象觀測設備的業務運行經驗，在分析地面氣象觀測設備故障特點及分布規律的前提下，采用先進的電子測量與信號處理技術，能夠較為完備地涵蓋現階段地面氣象探測業務中所使用的采集器和傳感器，適用于地面自動氣象設備的故障診斷和維修工作[7]。地面氣象觀測設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和自動氣象站要素信號接收系統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

自動氣象站要素信號生成系統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校，保證自動氣象站采集器通道的正常及測量值的準確性。自動氣象站要素信號生成系統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種蒸發傳感器型號。

3.2 自動氣象站要素信號接收系統

地面氣象觀測設備維修測試平臺的自動氣象站要素信號接收系統負責完成傳感器的快速測試、性能測試等，可設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據，初步判斷各種型號自動站傳感器功能的好壞情況。該系統具備與平臺信號源相對應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，其測試數據就會自動顯示于平臺采集器要素信息顯示區。

平臺采集器在進行傳感器測試時，需要設置傳感器多個型號的要素，如風速、能見度、數字氣壓、土壤水分、稱重雨量、蒸發等要素，設置的方法與信號源部分的相應要素設置基本相同，區別在于采集器的設置不可以輸入參量值。以氣壓傳感器的采集設置為例，進入主界面系統設置，進入通信參數設置界面，選擇對應的通信端口，設置正確的通信參數，完成設置返回主界面。進入主界面的平臺氣壓按鈕，進入氣壓傳感器設置頁面，選擇所對應的氣壓傳感器型號，完成設置返回主界面。

3.3 接口設計

為了提高測量效率，對設備接口進行了特別的設計，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，未做封裝的鏤空結構設計則是可以方便使用示波器和萬用表等儀器的探針。信號源和轉接板通過一根排線進行連接，轉接板的電路集成了各種信號，通過更換不同的轉接板可實現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，而無須擔心接口定義的復雜性，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 平臺軟件設計

平臺軟件主要由模擬源嵌入式軟件系統、采集通信模塊軟件系統和軟件控制系統組成。其中，軟件控制系統由設備檢測、維修指導、維修信息管理、系統管理和幫助文檔等功能模塊組成，設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、風向、風速、氣壓和能見度等，以及采集器線路板上的板卡數據。主要實現控制各輸出通道是否輸出、輸出值和輸出模式，可以批量設置各通道。系統根據用戶選擇的采集器類型自動匹配輸出端口，準備后端數據格式、初始化系統顯示界面、通信參數[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，并且能夠對采集器進行板卡控制和輸出數據設置。此外，該模塊還能夠為各種地面探測設備提供進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等方面的操作。

軟件設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前通信通道參數及傳感器通道采樣頻率，方便用戶使用。用戶也可以進入通信管理模塊設置模擬源、采集板和主控面板的通信，使之能夠根據實際情況進行系統配置。在執行傳感器測試操作過程中，可以并行控制多個通道匯集數據。通過批量設置各通道，在測試和維修時，依照輸入的設備類型展示出所需的通道。在每次測試結束后，可依據測試對象設備的類型記錄和存儲相關參數，運用“加載設置”或“保存設置”按鈕，將這些建檔的參數將作為下一次測試相似設備時的預設配置。

4.3 綜合維修測試

作為地面氣象觀測設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施實現有效的交互，實現數據的傳輸和共享。因此，該設計具有良好的可擴展性，可滿足不同型號地面觀測設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備維修測試、故障件的查找等功能、采集器狀態讀取功能和采集器線路板級測試功能。系統軟件設計使用萬用表和示波器對設備關鍵點進行測試，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行設備維護和故障檢測，以確保設備正常運行[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備是否存在故障，可以持續監測和評估采集器、傳感器等設備的穩定性、準確性等性能，確保被測試設備能夠長時間正常運行。進行性能分析測試時，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行實時測試。同時，用戶可以分階段設置信號源，每個階段持續的時間長短和每個通道的信號輸出都可以進行配置，實時刷新顯示每個測試數據的采樣值、實時曲線和數據，并根據數據設定閾值進行判定測試數據是否正常、缺測還是超差。

維修指導主要包括維修案例的檢索和專家庫的相關操作；維修信息管理和系統管理分別負責對維修數據、維修信息的查詢和系統用戶的控制等。幫助文檔則可查閱示波器、萬用表等工具文檔，方便用戶隨時調用[11]。

5 結束語

通過地面氣象觀測設備維修測試平臺設計和應用，可以提高地面氣象裝備的現代化水平，延長氣象裝備的使用壽命。基層業務人員在使用該平臺的過程中，通過理論與操作實踐結合，可有效提升氣象裝備保障技術人員能力。平臺的建立進一步完善了地面氣象監測網的裝備保障環節，可結合市級氣象裝備保障業務的實際情況，搭配自動氣象站計量平臺、自動氣象站實訓平臺和氣象觀測設備運行監控平臺，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測數據。

參考文獻

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