山西省氣象探測設備維修平臺的研究

李靜　張朝明　華夏　張敏　李延暉

摘要：隨著山西省氣象自動化觀測設備的陸續(xù)列裝，氣象裝備保障故障檢測的需求日益突出，設計了基于LabVIEW的山西氣象裝備保障測試維修平臺。系統(tǒng)利用硬件平臺和虛擬儀器對故障設備進行檢測，提高了檢測效率和準確性，為氣象裝備保障人員提供了技術依據(jù)。

關鍵詞：LabVIEW;氣象裝備;氣象業(yè)務服務;維修流程

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.034

面對日益增長的氣象業(yè)務服務需要，山西省地面氣象觀測系統(tǒng)設備數(shù)量和類型日漸增多，隨著自動氣象站、閃電定位儀、稱重式降水觀測儀、自動土壤水分站、能見度儀等設備陸續(xù)列裝，山西省氣象裝備保障方面的問題也日趨突出。主要表現(xiàn)為：設備故障的檢測儀器種類多、故障檢測標準不統(tǒng)一、故障檢測主要憑經(jīng)驗得出結論，人為的故障檢測方式導致工作效率低，無法保證氣象裝備維修維護的及時性。面對新的業(yè)務需求和對最小可更換單元級的調(diào)試、維修能力的保障要求，需通過業(yè)務操作流程的合理規(guī)劃及系統(tǒng)功能設計，實現(xiàn)各類設備的維修流程標準化，解決山西省地面氣象裝備保障的標準和自動化問題。

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LabVIEW及虛擬儀器

LabVIEW由美國國家儀器（NI）公司推出，是虛擬儀器設計的軟件平臺系統(tǒng)，由于其靈活的擴展性和方便的使用性而被廣泛應用，主要用于數(shù)據(jù)采集和分析、自動控制等方面。LabVIEW的程序被稱之為可視化儀器，其最大的特點是圖形化編程。主要由三部分組成：前面板、塊狀圖表、圖標/連接口。G語言是主要編程語言，其界面簡單明了、調(diào)試方便快捷，能夠進行數(shù)據(jù)的可視化分析和設備自動化控制。程序員能夠應用與真實儀器類似的控制端、顯示端（如開關、按鈕、圖形等）做出所需面板。利用LabVIEW調(diào)試工具，能夠進行斷點設置、程序運行時間設計、單步或分段執(zhí)行程序等功能，數(shù)據(jù)的流動用動畫形式進行顯示。用戶能夠利用計算機進行計算和顯示、連接虛擬組件所需求的儀器設備進行操作、數(shù)據(jù)處理和輸入輸出顯示、配置相關參數(shù)，實現(xiàn)虛擬儀器相關操作。

LabVIEW提供400多個儀器驅(qū)動器，還提供了通用的硬件接口，比如RS232、VXI等。其分析功能十分強大，能夠進行信號仿真、信號處理、濾波、時間一頻率分析等。

2 系統(tǒng)設計

基于LabVIEW的山西省氣象裝備測試維修平臺利用LabVIEW的虛擬儀器技術，能夠提供氣象觀測設備的性能參數(shù)設定測試、設備故障快速診斷、維修維護等功能;能夠最大限度地提高山西省地面氣象觀測設備的自動化測試能力，可實現(xiàn)地面氣象設備最小可更換單元級的維修調(diào)試。平臺主要由硬件和軟件兩部分組成。

2.1 硬件系統(tǒng)

綜合維修測試臺和PXI系統(tǒng)組成系統(tǒng)硬件部分，綜合維修測試臺主要由標準信號源模擬、信號采集通信系統(tǒng)以及標準風速風向驅(qū)動系統(tǒng)構成;PXI系統(tǒng)主要由萬用表、示波器和程控電源等構成。

軟件系統(tǒng)具有最直接的人機交互操作以及管理等上層功能，硬件系統(tǒng)實現(xiàn)機構完成信號的產(chǎn)生、采集等。測試平臺硬件采用使用廣泛、性能優(yōu)良的Cortex-M3內(nèi)核ARM處理器作為主控芯片，充分結合現(xiàn)代電子技術，引入氣象地面觀測設備的保障經(jīng)驗，以地面氣象觀測設備的故障特點為研究前提，采用先進的電子測量技術和信號處理技術，能夠較全面地覆蓋現(xiàn)階段氣象探測業(yè)務中所使用的傳感器以及采集器，適用于自動站故障的在線檢測、備件離機設定、設備電路板板級維修以及輔助維修測試等方面。硬件模塊設計如圖1所示。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的核心，主要由模擬源嵌入式軟件系統(tǒng)、采集通信模塊嵌入式信號軟件系統(tǒng)、上位機軟件控制系統(tǒng)、風速風向控制系統(tǒng)構成。其中，軟件系統(tǒng)控制的核心是上位機軟件控制系統(tǒng)，其功能實現(xiàn)主要由模擬源控制系統(tǒng)、采集通信控制系統(tǒng)、綜合維修測試、性能分析、維修指導、維修信息管理、系統(tǒng)管理、幫助八個主要功能模塊構成。軟件系統(tǒng)通過與硬件測試儀器平臺以及虛擬儀器進行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對自動氣象站、自動土壤水分站等地面氣象觀測設備進行維修測試、故障診斷、分析維護等保障工作。軟件系統(tǒng)結構如圖2所示。

模擬信號源系統(tǒng)：模擬信號源系統(tǒng)的硬件設備為地面觀測設備的采集系統(tǒng)，能夠輸出各種型號自動氣象站、自動土壤水分站、稱重式降水觀測儀、能見度儀等地面觀測設備的傳感器信號及采集器線路板測試時的板卡信號。軟件系統(tǒng)設計可以控制各輸出通道是否輸出、輸出值、輸出模式（固定值輸出、階梯輸出或分段輸出等）。

采集通訊系統(tǒng)：采集通訊系統(tǒng)的硬件設備為各種型號觀測設備的傳感器信號、為采集器線路板測試提供板卡控制信號以及輸出數(shù)據(jù)信號的采集。軟件系統(tǒng)可以控制各輸入通道參數(shù)。

綜合測試維修：對于待維修設備，能夠完成測試維修、故障件查找等功能。

性能分析測試：能夠進行持續(xù)觀測，同時對傳感器、采集器等氣象觀測設備存在的問題進行詳細分析。

維修指導：系統(tǒng)將對地面氣象觀測系統(tǒng)各類信息進行歸檔，收集不同系統(tǒng)、不同采集要素的常見故障及處理方法，從而形成專家知識庫，以專家知識庫為核心從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測、分析、維修向?qū)У裙δ?，專家知識庫本身也具有可持續(xù)升級完善功能。軟件模塊設計如圖3所示。

2.3 業(yè)務流程

系統(tǒng)連接故障設備，通過LabVIEW虛擬儀器進行線路板級測試、元件級測試、性能分析測試等，根據(jù)需要設置模擬信號源、采集系統(tǒng)，完成測試、分析，并出具維修報告。具體流程如下：①測試人員收到設備后，首先進入維修平臺軟件系統(tǒng)進行基本信息錄入，系統(tǒng)會根據(jù)錄入信息生成具有唯一性的工單號作為設備的唯一標識;錄入之后根據(jù)輸入的信息、軟件自動待測設備信息，以圖片的形式指導用戶進行采集器或傳感器的接線。②以采集器為例。用戶選擇相待測采集器配套的工裝接口板，根據(jù)接線圖片接好采集器。按測試的設備和用戶的需求配置模擬信號源和采集板，配置完成正式進行采集器測試。測試傳感器時，將傳感器接入信號采集板，然后通過與標準傳感器輸出數(shù)據(jù)對比的方法來判斷待測傳感器是否正常。⑧測試完成后，進入維修指導模塊。根據(jù)測試結果，用戶輸入對應的故障關鍵字，專家?guī)鞎阉鞒雠c關鍵字相關的所有案例，并按照相關程度大小進行從上到下排列。鼠標點擊確定需要查看的案例后，界面上顯示相關的診斷步驟和需要查看的圖片。用戶可按照診斷步驟的方法依次確認，最終認定待測件的問題所在。同時增加專家?guī)煊涗浶畔?。系統(tǒng)把得到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則存人數(shù)據(jù)庫中，其中專家數(shù)據(jù)庫允許客戶根據(jù)經(jīng)驗進行添加，實現(xiàn)專家經(jīng)驗庫的不斷增長。④測試完成后根據(jù)用戶要求生成測試報告及測試數(shù)據(jù)，并進行下載和打印。