風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)核查儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭俊錦，夏利娜，韓偉中，唐 震

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

0 引言

地面氣象觀測(cè)中所測(cè)量的風(fēng)是水平運(yùn)動(dòng)的二維矢量，包括風(fēng)速和風(fēng)向[1]。風(fēng)向指的是風(fēng)的來(lái)向，是重要的地面氣象觀測(cè)要素之一，目前我國(guó)各級(jí)氣象臺(tái)站廣泛使用的是格雷碼盤式風(fēng)向傳感器，其主要部件包括：風(fēng)向標(biāo)、格雷碼盤、光電管組、外殼和信號(hào)線插座等。風(fēng)向標(biāo)隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)同軸的格雷碼盤同時(shí)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于七位格雷碼風(fēng)向傳感器，每轉(zhuǎn)動(dòng)約2.812 5°(即360°/27)，傳感器內(nèi)部光電管組則會(huì)產(chǎn)生7位新的格雷碼電平。格雷碼是一種無(wú)權(quán)碼[2]，屬于可靠性編碼，相鄰的兩個(gè)碼值只有一個(gè)二進(jìn)制位不同，特別適合于具有單步和循環(huán)特性的風(fēng)向傳感器(轉(zhuǎn)角位移輸出信號(hào))，可減小風(fēng)向測(cè)量時(shí)隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)較大誤差的可能性。

風(fēng)向傳感器故障主要分為機(jī)械故障和電路故障[3]。其中機(jī)械故障主要為顯性故障(包括風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)故障和碼盤變形缺損等)，可以通過(guò)觀察傳感器外觀和測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)性能等方式來(lái)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(nèi)部的光電對(duì)管損壞、插頭脫焊和線纜損壞(如機(jī)械損傷、鼠咬破損或者長(zhǎng)期使用造成的老化)等，此時(shí)通常會(huì)使得部分格雷碼點(diǎn)位輸出錯(cuò)誤，即傳感器不會(huì)完全停止工作而是繼續(xù)“正?！陛敵鲂盘?hào)。如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題并進(jìn)行傳感器維修或更換，數(shù)據(jù)中心雖然不會(huì)有數(shù)據(jù)缺測(cè)的反饋，但是據(jù)此解算出的風(fēng)向值為錯(cuò)誤值，會(huì)嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。例如某國(guó)家基本氣象站即存在此類故障近2個(gè)月卻未及時(shí)發(fā)現(xiàn)[4]：從4月24日起至6月8日，風(fēng)向值雖然未缺測(cè)但是只在ESE-WSW之間變化，疑似為錯(cuò)誤值。業(yè)務(wù)人員通過(guò)將主站(疑誤風(fēng)向傳感器在主站)與備份站風(fēng)向值記錄對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主站風(fēng)向在方位 W-N-E之間均無(wú)記錄，并且在方位SE-SW度之間風(fēng)向出現(xiàn)頻率較備份站正常記錄明顯偏多。經(jīng)業(yè)務(wù)人員測(cè)量采集器端的格雷碼電平發(fā)現(xiàn)：在不同風(fēng)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(jīng)過(guò)檢查通信線纜發(fā)現(xiàn)：線纜中D5與電源線破皮短接，D4線纜斷裂開(kāi)路。

上述隱性故障的排查方法包括使用核查裝置事前檢測(cè)和利用風(fēng)向數(shù)據(jù)事后反查。目前業(yè)務(wù)應(yīng)用的風(fēng)向核查裝置主要為JJE10 型風(fēng)向核查儀[5-7]，其風(fēng)向示值校驗(yàn)采用同步轉(zhuǎn)動(dòng)方法進(jìn)行，適用于各類風(fēng)向傳感器的定性定量測(cè)量。然而該裝置需要人工觀察和記錄，無(wú)自動(dòng)輸出檢測(cè)結(jié)果的功能。趙建凱[8]通過(guò)使用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了EL15-2C風(fēng)向傳感器檢測(cè)儀，可以實(shí)現(xiàn)格雷碼和風(fēng)向值的檢測(cè)，以及故障結(jié)果輸出，但是只檢測(cè)數(shù)值的連續(xù)性，而無(wú)法檢測(cè)傳感器碼盤偏位故障，同時(shí)未利用格雷碼自身特性而對(duì)所有格雷碼數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)效率不夠高并且沒(méi)有風(fēng)向值的顯示。李秀英等[9]通過(guò)總結(jié)風(fēng)向傳感器故障時(shí)錯(cuò)誤方位示值規(guī)律，無(wú)需測(cè)量格雷碼，只要根據(jù)錯(cuò)誤方位示值判斷故障點(diǎn)。但是需要準(zhǔn)確地將風(fēng)向標(biāo)旋轉(zhuǎn)到某一風(fēng)向值范圍內(nèi)(對(duì)工作人員技術(shù)水平要求高)甚至是某具體風(fēng)向值(要借助專門的角度盤來(lái)定位，較難操作)。張永軍[10]等提出的基于分布律規(guī)則的風(fēng)向傳感器故障檢測(cè)算法雖然能夠在不拆下風(fēng)向傳感器的情況下準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和判斷風(fēng)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(guò)數(shù)據(jù)核查具有一定的滯后性，使得故障期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)不可用，并且無(wú)法補(bǔ)測(cè)。

為此，本文從風(fēng)向傳感器核查工作的實(shí)際需求出發(fā)，同時(shí)考慮到現(xiàn)有風(fēng)向傳感器核查儀檢測(cè)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(wèn)題，研制了基于單片機(jī)的風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)核查儀系統(tǒng)。風(fēng)向傳感器通過(guò)接口模塊連接入系統(tǒng)，系統(tǒng)可自動(dòng)讀取格雷碼和解算出風(fēng)向值進(jìn)行故障檢測(cè)，最后可自動(dòng)生成檢測(cè)結(jié)果并輸出，輸出方式包括LED指示燈、數(shù)碼管和蜂鳴器等。同時(shí)，該核查儀便攜易用，采用電池供電，風(fēng)向傳感器接入后即可直接檢測(cè)，無(wú)需額外對(duì)傳感器供電。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過(guò)模塊化的電路設(shè)計(jì)，完成相關(guān)功能模塊的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由單片機(jī)、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(tǒng)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(diào)節(jié)后給系統(tǒng)供電。風(fēng)向傳感器通過(guò)接口模塊連接入系統(tǒng)，單片機(jī)通過(guò)IO口連接并讀取風(fēng)向傳感器的數(shù)據(jù)。人機(jī)交互方式主要通過(guò)按鍵模塊、顯示模塊和聲音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)：使用者通過(guò)按鍵模塊向系統(tǒng)輸入，例如切換工作模式等；系統(tǒng)通過(guò)顯示模塊和聲音模塊實(shí)現(xiàn)信息輸出，例如格雷碼、風(fēng)向值和聲音提醒等功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)除了需要連接和識(shí)別風(fēng)向傳感器(輸出為7位格雷碼的風(fēng)向傳感器需要7個(gè)IO口)以及對(duì)格雷碼、風(fēng)向值和檢測(cè)結(jié)果等信息進(jìn)行顯示(顯示模塊包括LED燈和數(shù)碼管等)外，還需要識(shí)別按鍵和控制蜂鳴器等。同時(shí)，為了使得系統(tǒng)電路更加簡(jiǎn)單可靠，因此主控芯片選擇有較多IO口的單片機(jī)，本文選用封裝為L(zhǎng)QFP44的國(guó)產(chǎn)單片機(jī)STC15F2K60S2[13-14]。它是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，采用STC-Y5超高速CPU內(nèi)核。它具有無(wú)法解密、高可靠、高速(速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快8～12倍，并且兼容其代碼指令)和低功耗等特點(diǎn)。其內(nèi)部集成高可靠性的R/C時(shí)鐘，可省去外部復(fù)位電路和晶振，并可ISP編程可選設(shè)置于5～35 MHz。STC15F2K60S2-LQFP44具有42個(gè)IO口，其工作電壓為4.5～5.5 V,Flash程序存儲(chǔ)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(gè)普通定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器或者3個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器)。具有5個(gè)外部中斷。具有掉電喚醒專用定時(shí)器。具有1組高速串行通信端口SPI。其內(nèi)部EEPROM為1 K。具有看門狗?？蓪?duì)外輸出趕時(shí)間及復(fù)位，可設(shè)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(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景主要是在野外，因此選用電池供電，本系統(tǒng)采用9 V方塊電池6LR61。同時(shí)由于本系統(tǒng)的單片機(jī)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(jīng)過(guò)降壓模塊降壓形成5 V電壓進(jìn)行供電，降壓模塊選用150 kHz固定頻率的PWM DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源換器LM2596S-5.0[15-16]。它具有3A輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，高效率、高線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和低紋波等特點(diǎn)。該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳，其應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，僅需極少的外部元器件。此外，該芯片還內(nèi)置過(guò)流過(guò)溫保護(hù)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(yīng)用范圍較廣的格雷碼式風(fēng)向傳感器主要為中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的EL15-2C[17]和江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司生產(chǎn)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(cè)風(fēng)向通信線纜(即在現(xiàn)場(chǎng)核查時(shí)，將風(fēng)向通訊線端子從主采集器風(fēng)向接口拔出，然后插入核查儀系統(tǒng)即可測(cè)試)，本系統(tǒng)的接口模塊選用與自動(dòng)氣象站主采集器的風(fēng)向接口相同的接線端子：5.08 mm接線端子2EDG5.08-9P公座。同時(shí)，本系統(tǒng)也可通過(guò)轉(zhuǎn)接線直接檢測(cè)風(fēng)向傳感器，即分別將兩種風(fēng)向傳感器對(duì)應(yīng)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(cè)試時(shí)，將該母座連接入核查儀系統(tǒng)即可測(cè)試。

表1 EL-2C和ZQZ-TF航空插頭座焊裝接線定義表

風(fēng)向傳感器經(jīng)由接口模塊直接與單片機(jī)IO相連，單片機(jī)通過(guò)識(shí)別對(duì)應(yīng)IO口的電平狀態(tài)：低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的格雷碼點(diǎn)位為“0”；高電平時(shí)則對(duì)應(yīng)的格雷碼點(diǎn)位為“1”。據(jù)此可解算出對(duì)應(yīng)的格雷碼值及風(fēng)向值。七位格雷碼式風(fēng)向傳感器的接口模塊電路圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)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(shù)碼管。其中數(shù)碼管用于顯示風(fēng)向值和測(cè)試結(jié)果等信息，選用3位共陽(yáng)數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)控制(利用人眼的“視覺(jué)暫留現(xiàn)象”，逐個(gè)快速切換顯示不同位的數(shù)碼管，使得看起來(lái)數(shù)碼管的3位數(shù)字是同時(shí)顯示的)；LED 指示燈用于顯示系統(tǒng)工作模式和格雷碼，分別選用2個(gè)3 mm單色LED和7個(gè)3 mm共陰紅綠雙色LED。2個(gè)單色LED分別用于顯示系統(tǒng)的工作模塊。實(shí)時(shí)格雷碼及格雷碼檢測(cè)結(jié)果使用雙色LED：當(dāng)格雷碼電平變化時(shí)雙色LED的紅燈的亮滅狀態(tài)切換(即格雷碼輸出“1”時(shí)，紅燈點(diǎn)亮，格雷碼輸出為“0”時(shí)，紅燈熄滅)；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)模式且已經(jīng)完成了一個(gè)檢測(cè)周期時(shí)，若通過(guò)故障檢測(cè)則對(duì)應(yīng)的格雷碼點(diǎn)位綠燈常亮，若未通過(guò)故障檢測(cè)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(tǒng)工作模式：檢測(cè)模式(自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行風(fēng)向傳感器故障檢測(cè))和顯示模式(實(shí)時(shí)顯示格雷碼和風(fēng)向值)。聲音模塊選用有源蜂鳴器(其內(nèi)部帶有震蕩源，只要一通電就會(huì)鳴叫)，通過(guò)PNP三極管來(lái)控制蜂鳴器的通電與否及通電時(shí)間：連接三極管的IO口為低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫；IO口為高電平時(shí)三極管則截止，蜂鳴器靜音。根據(jù)不同的檢測(cè)結(jié)果信號(hào)輸出不同的聲音信號(hào)(例如長(zhǎng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要為單片機(jī)編程。風(fēng)向傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)接線或自動(dòng)氣象站自帶的通信線纜連接到本系統(tǒng)，通過(guò)按鍵切換系統(tǒng)工作模式(檢測(cè)模式和顯示模式)。顯示模式實(shí)時(shí)顯示風(fēng)向傳感器的格雷碼值及對(duì)應(yīng)的風(fēng)向值；檢測(cè)模式則利用識(shí)別和解算出來(lái)的風(fēng)向值，根據(jù)故障檢測(cè)算法對(duì)接入的風(fēng)向傳感器進(jìn)行故障判斷。以下主要介紹檢測(cè)模式的故障判斷邏輯，程序流程圖如圖6所示。故障檢測(cè)的判斷邏輯主要包括：格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)和風(fēng)向值檢測(cè)。其中格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)主要是檢測(cè)風(fēng)向傳感器輸出的格雷碼數(shù)值是否符合格雷碼的自身特性；風(fēng)向值檢測(cè)則主要利用風(fēng)向傳感器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中風(fēng)向值的出現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行故障判斷。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

3.1 格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)

將風(fēng)向傳感器朝同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)1周以上，針對(duì)傳感器輸出的格雷碼信號(hào)按如下的方法進(jìn)行故障檢測(cè)：

1)由于風(fēng)向傳感器在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，格雷碼的每個(gè)點(diǎn)位的輸出既有高電平(即“1”)又有低電平(即“0”)。因此，當(dāng)某位格雷碼的輸出電平?jīng)]有變化(即只識(shí)別到“0”，或者只識(shí)別到“1”)時(shí)，則認(rèn)為此位格雷碼異常，可直接判定該風(fēng)向傳感器故障。例如D0始終為“0”(或者始終為“1”)則可認(rèn)為D0位損壞，該風(fēng)向傳感器存在故障。

2)由于格雷碼本身就具有如下的特點(diǎn)：任意兩個(gè)相鄰的碼值只有一位二進(jìn)制數(shù)不同。因此，當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中，風(fēng)向傳感器相鄰輸出的2組格雷碼之間的差異不止1個(gè)點(diǎn)位時(shí)，則可判定該風(fēng)向傳感器存在故障。

3)根據(jù)傳感器廠家提供的《風(fēng)向角度與7位格雷碼對(duì)照表》，如表2所示，我們可以發(fā)現(xiàn)格雷碼不同點(diǎn)位的“0”和“1”是交替出現(xiàn)的，并存在如下規(guī)律：

D0(即最右邊點(diǎn)位)，2(即21)個(gè)“0”和2個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D1，4(即22)個(gè)“0”和4個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D2，8(即23)個(gè)“0”和8個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D3，16(即24)個(gè)“0”和16個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D4，32(即25)個(gè)“0”和32個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D5，64(即26)個(gè)“0”和64個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

D6，64(即26)個(gè)“0”和64個(gè)“1”交替出現(xiàn)；

當(dāng)風(fēng)向傳感器朝同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也可根據(jù)各個(gè)點(diǎn)位的出現(xiàn)頻率是否符合如上的規(guī)律來(lái)判斷格雷碼是否異常。若不符合則認(rèn)為風(fēng)向傳感器是異常的。由于風(fēng)向傳感器的初始位置不確定，因此檢測(cè)時(shí)分別從每位格雷碼第一次檢測(cè)到電平變化時(shí)，開(kāi)始記錄統(tǒng)計(jì)。同時(shí)在測(cè)試時(shí)通常只要求轉(zhuǎn)動(dòng)1周多，D5,D6在識(shí)別電平變化時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，有可能不會(huì)完整地識(shí)別到連續(xù)的64個(gè)“0”和64個(gè)“1”的間歇變化。因此，在此步驟時(shí)，只進(jìn)行D0～D4的檢測(cè)，默認(rèn)D5,D6正常(若D5,D6異常，在接下來(lái)的風(fēng)向值檢測(cè)中也會(huì)被檢測(cè)出來(lái))。

表2 風(fēng)向角度與7位格雷碼對(duì)照表

當(dāng)以上3項(xiàng)故障檢測(cè)均通過(guò)時(shí)，則認(rèn)為風(fēng)向傳感器的格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)結(jié)果為正常。

3.2 風(fēng)向值檢測(cè)

風(fēng)向傳感器的格雷碼輸出信息最終需要經(jīng)采集器轉(zhuǎn)化為風(fēng)向值，因此還需要進(jìn)行風(fēng)向值檢測(cè)。中國(guó)氣象局部門計(jì)量檢定規(guī)程JJG(氣象)004-2013《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》[19]中規(guī)定,風(fēng)向?qū)嶒?yàn)室檢定規(guī)定的檢定點(diǎn)是:0°、 45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。但是考慮到：(1)格雷碼點(diǎn)位也可能存在工作不穩(wěn)定的狀態(tài)(即在檢定點(diǎn)時(shí)格雷碼各點(diǎn)位工作正常但是其他風(fēng)向點(diǎn)時(shí)卻異常)；(2)若只在上述點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)則需要對(duì)風(fēng)向標(biāo)嚴(yán)格定位，然后再讀取風(fēng)向值檢測(cè)是否異常。由于本系統(tǒng)主要應(yīng)用于野外現(xiàn)場(chǎng)核查(觀測(cè)場(chǎng)均在野外)，由于風(fēng)和人手抖動(dòng)的影響，使得讓風(fēng)向標(biāo)擺動(dòng)到在某個(gè)核查點(diǎn)并且保持絕對(duì)靜止是較為困難的[20]。(3)如果全部取消核查點(diǎn)檢測(cè)，則可能會(huì)造成無(wú)法識(shí)別碼盤偏位故障(即碼盤輸出的格雷碼所解算的風(fēng)向值與真實(shí)值存在偏移)。因此，風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)核查儀需要盡量減少核查點(diǎn)，本系統(tǒng)只選用0°這1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)(因?yàn)轱L(fēng)向傳感器外殼在0°點(diǎn)通常自帶有明顯的豎線標(biāo)識(shí)，較好定位)并進(jìn)行全部風(fēng)向值的檢測(cè)。

在朝同方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向傳感器時(shí)，我們實(shí)時(shí)解算出對(duì)應(yīng)的風(fēng)向值序列存在如下的規(guī)律(如表2所示)：順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)向值的變化規(guī)律為數(shù)值依次增大，當(dāng)跨越357°時(shí)，下一個(gè)值為0°；逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)向值的變化規(guī)律為數(shù)值依次減少，當(dāng)跨越0°時(shí)，下一個(gè)值為357°。因此，也可利用此變化規(guī)律來(lái)判斷傳感器是否異常。

在進(jìn)行風(fēng)向值檢測(cè)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)向傳感器朝同方向轉(zhuǎn)動(dòng)1周以上，根據(jù)解算出來(lái)的風(fēng)向值是否滿足如下的規(guī)律進(jìn)行故障檢測(cè)：(1)風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)到0°位置時(shí)，讀取的風(fēng)向值為0；(2)風(fēng)向值按遞增或遞減的順序依次變化；(3)每個(gè)風(fēng)向值都有出現(xiàn)(所有風(fēng)向值如表2所示)。當(dāng)某風(fēng)向傳感器不能滿足以上的3個(gè)條件的任意一條時(shí)，則認(rèn)為其存在故障；當(dāng)某風(fēng)向傳感器同時(shí)滿足以上的3個(gè)條件時(shí)，則認(rèn)為風(fēng)向傳感器的風(fēng)向值檢測(cè)結(jié)果為正常。

3.3 檢測(cè)結(jié)果輸出

根據(jù)格雷碼點(diǎn)位和風(fēng)向值的檢測(cè)結(jié)果情況，即可判斷風(fēng)向傳感器是否正常：當(dāng)上述2個(gè)檢測(cè)都通過(guò)時(shí)傳感器正常，否則傳感器為異常。檢測(cè)結(jié)果的輸出主要通過(guò)雙色LED、數(shù)碼管和蜂鳴器來(lái)體現(xiàn)。檢測(cè)結(jié)果對(duì)照表如表3所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)研制完成后，為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性，還進(jìn)行了模擬測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。模擬測(cè)試即模擬常見(jiàn)故障情況進(jìn)行測(cè)試，主要包括開(kāi)路和風(fēng)向缺失等故障，模擬測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(tǒng)能有效地排查出有故障的風(fēng)向傳感器。同時(shí)本系統(tǒng)可將檢測(cè)周期縮短至5秒。

表3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)照表

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

模擬格雷碼點(diǎn)位異常故障1～3時(shí)，由于檢測(cè)到的格雷碼點(diǎn)位DN不滿足上述格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)中的方法(1)，因此DN對(duì)應(yīng)的LED指示燈紅燈閃爍。同理，當(dāng)不止一位格雷碼點(diǎn)位存在開(kāi)路、始終為“0”或“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的LED指示燈紅燈閃爍。

模擬格雷碼點(diǎn)位異常故障4時(shí)，檢測(cè)到的格雷碼點(diǎn)位滿足上述格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)中的方法(1)但是不滿足格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)中的方法(2)。例如當(dāng)N=0,M=1時(shí)，在風(fēng)向?yàn)?1°和17°時(shí)，格雷碼分別為“0000111”和“0000100”，不滿足格雷碼“任意兩個(gè)相鄰的碼值只有一位二進(jìn)制數(shù)不同”。

模擬風(fēng)向值缺失故障時(shí)，檢測(cè)到的格雷碼點(diǎn)位滿足上述格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)，但是解算出來(lái)的風(fēng)向值由于有缺失值不滿足風(fēng)向值檢測(cè)，因此全部點(diǎn)位的LED綠燈常亮，數(shù)碼管顯示“Err”。

表4 模擬測(cè)試結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試：即在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中進(jìn)行測(cè)試，使用本系統(tǒng)和現(xiàn)有的相關(guān)儀器進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)驗(yàn)證。同時(shí)當(dāng)檢測(cè)到傳感器異常時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證(包括使用萬(wàn)用表等儀器測(cè)量或送檢確定故障)。2021年10月以來(lái)，本系統(tǒng)已在福建省氣象計(jì)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(wú)工作異常情況，能夠較好地滿足格雷碼式風(fēng)向傳感器的核查工作需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從格雷碼式風(fēng)向傳感器核查的工作實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)研發(fā)了風(fēng)向傳感器現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)核查系統(tǒng)。該系統(tǒng)便攜易用，可快速對(duì)風(fēng)向傳感器的格雷碼點(diǎn)位、逐個(gè)風(fēng)向值和通信線纜等進(jìn)行檢測(cè)。風(fēng)向傳感器直接接入后即可進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)需對(duì)傳感器進(jìn)行額外供電。同時(shí)，該系統(tǒng)體積小，重量輕，便攜易用，檢測(cè)周期短，檢測(cè)結(jié)果輸出快，可快速高效地完成風(fēng)向傳感器的核查工作。

考慮到風(fēng)向傳感器隱性故障較難發(fā)現(xiàn)，除了要求臺(tái)站工作人員定期進(jìn)行核查，在今后的工作中，也可將本系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修改后，掛接在業(yè)務(wù)運(yùn)行的自動(dòng)氣象站主采集器的風(fēng)向傳感器接口上，進(jìn)行在線故障檢測(cè)。檢測(cè)算法可做出相應(yīng)的修改：檢測(cè)時(shí)間周期可適當(dāng)延長(zhǎng)(在較長(zhǎng)時(shí)間周期內(nèi)，風(fēng)向傳感器在自然風(fēng)的吹動(dòng)下，也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一周以上)；采用格雷碼點(diǎn)位檢測(cè)(格雷碼的每個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位)和風(fēng)向值檢測(cè)(當(dāng)風(fēng)向傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)1周以上時(shí)，每個(gè)風(fēng)向值應(yīng)該都能識(shí)別到)進(jìn)行故障檢測(cè)。同理，對(duì)其他位數(shù)格雷碼輸出的風(fēng)向傳感器也可采用類似的檢測(cè)方法。