基于STM32的新一代天氣雷達遠程監控系統設計

2017-06-05 14:15:40姜小云李昭春

計算機技術與發展 2017年5期

關鍵詞：故障系統設計

姜小云，李昭春，吳俞

(1.海南省氣象探測中心,海南海口 570203；2.海南省氣象臺，海南海口 570000)

基于STM32的新一代天氣雷達遠程監控系統設計

姜小云1，李昭春1，吳俞2

(1.海南省氣象探測中心,海南海口 570203；2.海南省氣象臺，海南海口 570000)

為了最大程度發揮新一代天氣雷達在天氣預報、氣象決策和服務、人工影響天氣等業務和科研方面的效益，設計了網絡遠程控制和應急解決新一代天氣雷達部分故障(軟件故障、停機故障、虛警故障等)的系統。通過設計網絡繼電器開關控制新一代天氣雷達伺服控制單元、新一代天氣雷達數據采集控制單元、新一代天氣雷達發射機主控板等設備電源以實現遠程復位，設計新一代天氣雷達信號波形監控系統以實現對新一代天氣雷達設備遠程快速在線診斷。其在海南省新一代天氣雷達站的實際運行情況表明，該系統應用效果良好，使得新一代天氣雷達的系統可用性大幅提高，故障診斷與排除時間大為縮短，在全國天氣雷達觀測業務年終考評中名列前茅。該系統的設計方法可供其他新一代天氣雷達站應用和借鑒。

STM32;新一代天氣雷達;遠程控制;系統設計;網絡控制

0 引言

全國新一代天氣雷達組網運行多年來為各級天氣預報、氣象決策和服務、人工影響天氣等業務和科研等方面發揮了顯著效益，然而穩定可靠的連續觀測運行對新一代天氣雷達技術保障要求越來越高。前人已經積累了大量關于新一代天氣雷達技術保障方面的經驗總結和研究成果[1-12]。外國同行也做了很多有價值的工作[13-16]。為了最大程度發揮新一代天氣雷達在天氣預報、氣象服務、氣象決策和人工影響天氣業務中的效益，必須發展新一代天氣雷達故障快速處理和應急維修等技術。由于新一代天氣雷達大多建在高山或遠離市區的偏僻地方，而且到了汛期新一代天氣雷達又必須是24小時不間斷運行，因此大大增加了新一代天氣雷達維修維護和技術保障的壓力。新一代天氣雷達是一種能全天候全自動化運行的天氣觀測設備，基本可以實現無人值守。但事實上，由于各種環境、干擾等的影響,使得新一代天氣雷達的穩定性、可靠性難以達到無人值守的要求。據統計，SA型新一代天氣雷達部分停機故障是由于一些小故障等引起的，主要發生在RDA(雷達數據采集)計算機與伺服系統DCU(數控單元)通信連接失敗，RDA計算機與DAU(數據采集單元)系統的通信接口失敗，還有天線動態錯誤等故障。這些故障往往只需手動重啟RDA計算機或RDASC新一代天氣雷達運行軟件，重新上電復位DCU、DAU等分機系統，或者是重新上電復位發射機主控板等就可使雷達恢復正常運行。為了盡可能實現無人值守和最大程度上發揮新一代天氣雷達使用效益，設計了一種基于STM32系列芯片的網絡遠程控制與應急維修系統。該系統設計主要包括系統總體設計、硬件電路設計、軟件系統設計方法。根據該系統在海口等新一代天氣雷達站的實際運行情況，結果表明其使用效果良好，希望能為其他同類新一代天氣雷達站的技術保障業務提供借鑒。

1 系統總體設計

如圖1所示，整個系統主要有本地終端、STM32遠程服務器、繼電器開關控制等模塊。遠程服務器是基于STM32F103VET6芯片的網絡控制板，在該控制板上配置了32路繼電器開關控制器，通過這些繼電器可以控制新一代天氣雷達不同分機的電源的通斷。終端電腦為省局局域網任意一臺客戶機，業務保障人員可以通過本地終端遠程登陸到新一代天氣雷達機房的遠程服務器，從而進行進一步的遠程控制與應急維修等操作。繼電控制模塊涉及到硬件操作內容，是遠程應急維修技術的核心模塊。采用5 V繼電模塊，其輸出觸點耐壓為220 V，可承受電流10 A以下的中等功率負載。該型號繼電器能夠控制新一代天氣雷達DAU單元供電開關、DCU單元供電開關和雙蹤數字示波器的多路采集電纜開關。為了能夠遠程查看發射機、接收機等各模塊電路關鍵測試點波形，采用多路時分復用技術把所有待檢測的測試點波形采集探頭連線利用繼電開關控制接入到一個示波器的某個通道，從而輪流檢測多個測試點波形。RDASC是SA型新一代天氣雷達運行控制工作軟件，該軟件控制新一代天氣雷達各分系統有序工作并采集天氣觀測數據和設備運行狀態等信息。通過該軟件，操作人員可以操控新一代天氣雷達開機、關機和性能參數調整等。

圖1 系統總體設計框圖

2 硬件電路設計

2.1 繼電器控制電路設計

繼電器控制開關電路采用Proteus軟件設計和模擬仿真。Proteus電路設計與仿真軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。Proteus與其他電子仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機的實際工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有采用單片機的電子系統的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接觀看程序運行和電路實際工作的全過程和最終結果[1]。

如圖2所示，光耦芯片U1在引腳2處有一個低電平觸發時，U1引腳3和4導通，三極管Q1基極獲得電流后導通，從而使得繼電器RL1吸合，最終使得負載BUZ1通電工作。D2是續流二極管，起到保護繼電器的作用。原理圖設計完后，通過仿真模擬，添加電壓或電流探仿真工具，可以直觀地看到電路圖各處的電壓或電流，從而詳細了解整個電路的工作參數和運行情況，為接下來實際電路制作節省時間和試驗成本。

圖2 繼電器控制電路仿真設計圖

通過繼電器控制新一代天氣雷達的DAU、DCU和發射機主控板電源是否接通。因此，需要多路繼電器控制模塊。設計了最多32路繼電器控制電路以充分滿足新一代天氣雷達關于電源遠程控制的需要。

2.2 網絡控制電路設計

圖3是采用STM32F103VET6芯片的主控系統設計原理圖。STM32F103VET6是32位Cortex-M3內核的新型ARM處理器。它具有豐富的片內RAM和外設，幾乎不需要擴展其他外圍電路就能滿足一些簡單的設計需求，大大簡化了硬件電路的設計難度和復雜度，且CPU運行速度和內存容量完全滿足主控模塊的多任務實時處理和應用。STM32F103VET6芯片具有豐富的片上資源,包括16通道12位A/D轉換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、5個USART接口、1個CAN接口、1個USB2.0全速接口和2個SPI(Serial Peripheral Interface)接口等。其中，該系統用到了一個USART接口和SPI接口。USART接口是為了下載程序到芯片內部的程序存儲器，而SPI接口是為了實現網絡遠程控制系統，它和網絡控制芯片ENC28J60組合使用，從而簡單高效地實現了基于STM32單片機的網絡控制應用系統。

圖3 STM32主控系統設計圖

STM32F103VET6芯片的12和13腳外接一個8 M的晶振以提供芯片的時鐘信號，14腳外接芯片復位電路。USART1接口是芯片的程序下載接口，由引腳68和69組成，其中68腳是發送端，69腳是接收端。SPI接口是由29到33腳組成。如圖4所示，SPI接口和ENC28J60芯片實現了基于單片機的遠程控制網絡應用。ENC28J60芯片是帶有行業標準串行外設接口的獨立以太網控制器。它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網接口,與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現，數據傳輸速率高達10 Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網絡活動狀態指示。ENC28J60網絡模塊采用ENC28J60作為主芯片，單芯片即可實現以太網接入。利用該模塊，配合STM32 F103VET6芯片，就可以實現快速以太網連接[12]。

3 軟件系統設計

3.1 UIP網絡控制協議棧簡介

UIP由瑞典計算機科學學院開發。其源代碼由C語言編寫，并免費開放源代碼。UIP協議棧是一個精簡的TCP/IP協議棧，它刪掉了原TCP/IP協議棧中不常用的功能，簡化了通信流程，只保留網絡通信必須用到的協議，具體包括IP、TCP、ICMP、UDP和ARP等協議。由于該協議棧是專為嵌入式系統量身定做的，所以它的代碼量很少，方便移植，占用內存較少，發送和接收共用一個全局緩存節省了很多空間和時間，支持多個連接同時建立。而且對數據的處理采用輪詢機制，所以可以移植到不需要操作系統的嵌入式系統設備中。

圖4 網絡接口設計電路圖

UIP協議棧相當于一個函數庫，通過一系列的函數實現與底層硬件和上層應用程序的通信，對于整個系統來說它內部的協議是透明的，從而增加了協議的通用性。UIP協議棧與系統底層和上層應用之間的關系如圖5所示。

圖5 UIP協議棧功能示意圖

3.2 遠程控制具體實現方法

UIP協議棧提供了很多接口函數，UIP在接收到底層傳來的數據包后，在需要送到上層應用程序處理時調用UIP_APPCALL()接口函數。在不用修改協議棧的情況下可以適配不同的應用程序。具體步驟如下：

(1)實現接口函數UIP_APPCALL。該函數是UIP和應用程序的接口，必須根據需要在該函數做各種處理。

(2)初始化網卡。先初始化網卡，配置MAC地址，為UIP和網絡通信做好準備。

(3)調用UIP_init接口函數，初始化UIP協議棧。主要是UIP自身的初始化。

(4)設置IP地址、網關以及掩碼。通過UIP_ipaddr、UIP_sethostaddr、UIP_setdraddr和UIP_setnetmask等函數實現。

(5)設置監聽端口。UIP根據設定的不同監聽端口，實現不同的服務，比如Web網頁監聽80端口(瀏覽器默認的端口是80)，凡是發往該端口的數據，都通過Web Server的APPCALL函數處理。不過UIP有本地端口和遠程端口之分，如果是做服務端，通過監聽本地端口實現；如果是做客戶端，則需要連接遠程端口。

(6)處理UIP事件。UIP通過UIP_polling函數輪詢處理UIP事件。該函數必須插入到用戶的主循環里面,這樣就可以不需要操作系統的支持。httpd.c、httpd-cgi.c、httpd-fs.c和httpd-strings.h，屬于UIP提供的Web服務器參考代碼，通過修改這部分代碼，可以實現一個簡單的Web網頁服務器。

3.3 keil開發環境與代碼實現

使用當前國際流行的嵌入式開發工具keil平臺來實現程序的編輯、編譯、調試和下載。遠程控制系統板嵌入式應用程序包含以下幾個函數：

(1)Web_Server()。該函數實現了在瀏覽器上創建一個Web服務器，通過Web里面的命令來控制新一代天氣雷達遠程控制系統板上的繼電器吸合與釋放。

(2)fill_tcp_data_p()。該函數在指定位置填充TCP數據，返回值為填充后的位置。如：plen=fill_tcp_data_p(buf,plen,PSTR("

"))，該語句將在所創建的網頁的當前行中央位置顯示“海口新一代天氣雷達遠程控制系統”。

(3)analyse_get_url()。該函數分析客戶端提交的網頁請求，并根據網址中包含的命令參數做出相應動作，也就是收到客戶端的命令后對新一代天氣雷達遠程控制系統板上的繼電器發出指令，從而實現了新一代天氣雷達的遠程控制和遠程復位。

(4)print_webpage()。該函數調用fill_tcp_data_p()創建一個嵌入式Web網頁，按照順序輸出頁面內容，就像創建一個文件一樣。嵌入式系統中需要顯示的各個變量都可通過該函數顯示到Web頁面上。

所實現的系統是通過登陸Web服務器網頁遠程控制新一代天氣雷達DAU、DCU和發射機主控板電源的開關，并且監視機房的環境溫度和相對濕度，電源指示狀態和采集的數據實時顯示在該Web頁面上。

4 系統應用

圖6為海口新一代天氣雷達遠程控制系統。通過開發基于STM32F103VET6芯片的遠程網絡控制板，實現對新一代天氣雷達遠程控制操作。開發板中配置的IP地址為天氣雷達站機房的局域網地址(如172.22.64.100)，只要在局域網的任意一臺電腦上打開瀏覽器輸入上述網址就可以打開如圖6所示的Web頁面。在頁面下方的表格里，左邊是三個分機電源指示狀態，綠燈表示加上了電源，紅燈表示關閉了電源，右邊表示對三個分機電源的操作，當點擊某個操作，則相應的分機電源開關反轉一次，從而實現了新一代天氣雷達的快速遠程操控。

圖6 系統運行界面

5 結束語

新一代天氣雷達觀測系統從剛開始布點到目前大規模組網建設已經十多年了，為短時臨近天氣預報、災害性天氣監測、人工影響天氣等業務和科研發揮了巨大作用。同時現代氣象業務對新一代天氣雷達觀測系統的穩定性、可靠性、準確性和時效性等保障業務方面的要求越來越高。討論了通過網絡遠程控制和應急解決新一代天氣雷達故障，設計繼電器開關系統控制伺服控制單元、數據采集控制單元、發射機主控板等設備電源以實現遠程復位，設計信號波形監控系統以實現新一代天氣雷達設備故障遠程快速在線診斷和監控。同時給出遠程控制新一代天氣雷達的方法和具體電路設計。根據其在海口等新一代天氣雷達站的實際運行情況，結果表明該系統使用效果良好，希望能對其他新一代天氣雷達站的技術保障業務提供借鑒。

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Design of Remote Monitoring System for New Generation Weather Radar with STM32

JIANG Xiao-yun1，LI Zhao-chun1，WU Yu2

(1.Hainan Province Meteorological Detecting Center,Haikou 570203,China; 2.Hainan Province Meteorological Observatory,Haikou 570000,China)

The network remote control and rightly repairing system for the new generation weather radar (software faults,stopping running,false alarming,etc) has been designed for the most extent to develop the effect of business and research such as weather radar for weather forecast,meteorological decision and service,man-made informing weather and so on.By designing relay electronic switch systems to control the radar servo-actuated unit,the radar data acquisition unit and the radar transmitting main controlling board and other system device power supply to realize remote operations reset,the wave form monitoring system has been designed for the new generation weather radar’s remote quickly diagnosis on line.According to the actual operation of the system in some new generation weather radar stations in Hainan province,the operation situations have shown that this system has run in good operation and application and the availability of the new generation of weather radar has been promoted significantly as well as the fault diagnosis and elimination time greatly shortened.In the national weather radar observation business year-end evaluation,this system has reached the first with the best performance nationally.The reference value of this design method for this system can be involved in construction of other new generation weather radar stations.

STM32;next generation weather radar;remote control;system design;network control

2016-05-26

2016-08-31 網絡出版時間：2017-03-13

海南省氣象科技創新項目(HNQXMS201505)

姜小云(1978-),男,碩士,高工，研究方向為新一代天氣雷達技術開發與保障。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1545.018.html

TP302

1673-629X(2017)05-0196-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.041

基于STM32的新一代天氣雷達遠程監控系統設計

0 引 言

1 系統總體設計

2 硬件電路設計

3 軟件系統設計

4 系統應用

5 結束語

0 引言