地面气象保障业务研究

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1综合标准信号源的功能需求及组成结构

作为地面气象保障测试仪器，综合标准信号源的组成结构与气象观测传感器的种类、信号输出电参量、信号源功能有关[1]。为便于应用，信号输出通道应该为并行输出通道，也就是每种要素传感器使用一个通道，不同要素传感器信号可以同时输出。总结目前国内主流自动气象站所用传感器，传感器类型及输出信号种类如表1所示。再考虑同类传感器具有不同的型号，如风向、风速传感器，不同型号的同类传感器输出电参量类型一致，但气象要素值与电参量的转换公式不同，这样存在同一信号输出通道不同传感器型号选择的功能需求[2]。另外，标准信号源应该具有输出值设置及运行状态、设置信息显示功能。自动气象站综合标准信号源组成结构包括主控单元、显示屏、操作键盘、各种传感器模拟信号输出电路及信号输出端口，结构图如图1所示。标准信号输出为并行输出设计，所有要素标准信号同时提供，所以图1中的接口板提供了各类信号的输出通道。图1中的信号处理电路主要完成在核心处理器控制下的各类标准信号的选通、变换功能，详细功能结构如图2所示。其中温度信号采用标准电阻的选通控制输出，即温度以特定值的形式输出，考虑应用的完善，特定值可以设置为：－50℃(80.31Ω)、－30℃(88.22Ω)、－10℃(96.09Ω)、0.00℃(100.00Ω)、10.0℃(103.90Ω)、30.0℃(111.67Ω)、50.0℃(119.40Ω)、80.0℃(130.90Ω)。

2综合标准信号源硬件、软件设计简介

本文所述综合标准信号源为智能化系统，所以硬件设计应选择嵌入式系统作为系统核心，应用高性能、低功耗的微处理器STM32开发是个比较经济的解决方案，可以采用32位STM32F103X系列微控制器作为主控芯片，通过库函数开发嵌入式固件程序控制外围功能电路实现信号通道的输出控制[3]。在固化程序方面，利用库函数编程技术，程序可读性及可扩展性强，能够有效实现综合标准信号源各项功能。程序运行流程为设备开机后，系统自动根据上次的设置值输出各类信号，用户根据键盘选择要素进行设置，设置内容包括传感器类型、输出值、输出电平、串口通讯参数等，设置完成后主控单元执行特定的程序控制外围电路输出用户所需标准信号，显示器同屏显示正在输出的各通道气象要素量及对应的电参量。综合标准信号源一般在地面气象观测设备运行现场应用，属于便携设备，所以电源模块应配备电池及充放电控制电路。温度信号使用标准电阻序列，MCU根据用户设置控制选通开关输出特定的电阻值。气压、风向等传感器模拟电压转换使用D/A转换电路。蒸发传感器模拟电流应用D/A转换电路配合标准电阻进行输出。雨量脉冲信号其实是干簧管的通断控制的开关电路，需要有激励源的特别处理。风速、风向等脉冲或频率信号需要应用电平选择控制电路。

3综合标准信号源在地面气象保障业务中的应用

应用于自动气象站采集器现场校准及备份采集器加电测试。首先将综合标准信号源通过专用信号线连接到采集器，然后开机，根据自动气象站采集器校准方法依次设置好标准信号源各要素的输出值和通讯参数之后，再读取采集器所采集到的各要素值或其他台站参数等。将获取到的采集器要素值与标准信号源输出值进行对比来判断该采集器是否正常[4]。应用于自动气象站在线故障检测。测试仪的标准信号源可以对自动站进行在线故障检测，一般使用排除法，依次将标准信号源输出的信号接入自动站各个接入点，通过查看对比采集器采集到的数值与输出的标准值来判断故障位置，达到快速准确排除故障的目的。例如湿度故障的检测。针对CAWS600系列和DZZ5、DZZ6自动站，当湿度出现故障时，从传感器一端开始检查，首先取下传感器，使用标准信号源设置好需要的湿度输出信号并将其接入信号传输线，查看监控软件的湿度值是否与设置值一致，如一致则为传感器故障；如不一致则继续使用标准信号源来检查下一节点，即主采集器机箱防雷板的信号接入端，查看数据是否一致，如一致则为信号线缆故障；如不一致则将标准信号源信号直接接入采集器，查看数据是否一致，如一致则为防雷板故障，如不一致则为采集器故障。针对DZZ4自动站，当湿度出现故障时，从传感器一端开始检查，首先取下传感器，使用标准信号源设置好需要的湿度输出信号并将其接入温湿度分采，查看监控软件的湿度值是否与设置值一致，如一致则为传感器故障；如不一致则检查分采的运行状态指示灯并查看分采数据，如数据异常则为分采故障。针对DYYZII自动站，当湿度出现故障时，从传感器一端开始检查，首先取下传感器，使用标准信号源设置好需要的湿度输出信号，并将其接入到信号传输线，查看监控软件的湿度值是否与设置值一致，如一致则为传感器故障；如不一致则继续使用标准信号源来检查下一节点，即外转接板的信号接入端，查看数据是否一致，如一致则为信号线缆故障；如不一致则将连接主采的7芯信号电缆的湿度信号与标准信号源连接，查看数据是否一致，如一致则为外转接板故障；如不一致则将标准信号源信号直接接入采集器，查看数据是否一致，如一致则为7芯信号电缆故障，如不一致则为采集器故障。

4结束语

通过分析综合标准信号源的设计方案、应用方法等，技术人员系统地梳理了各型号地面气象探测设备中传感器的种类、型号及输出信号的差异，经过实际电路设计，实现了综合标准信号源样机的设计制造，并应用于地面气象探测设备保障业务。由于地面气象探测中传感器类型较多，而且同种传感器不同类型之间往往有一定差别，设计综合标准信号源要重点考虑其可靠性、实用性及易用性。

参考文献：

[1]安学武，赵建凯，包伟智，等.一种基于专家库的地面气象探测设备远程技术支持系统[J].内蒙古气象，2018(3)：40-43.

[2]安学武，赵建凯，包伟智，等.基于STM32的手持式地面气象探测设备维修测试仪设计[J].电子世界，2018(8)：192-193.

[3]李艳，安学武.一种自动气象站综合测试系统的设计[J].内蒙古气象，2017(6)：28-31.

[4]赵建凯.关于自动气象站结构与原理的构想[J].南方农机，2019，50(5)：228+236.

作者:安学武 单位:内蒙古自治区大气探测技术保障中心