省級氣象觀測設備測試維修平臺的設計與實現

劉峰 李建宇 周旭輝

摘要：省級氣象觀測設備測試維修平臺是集氣象觀測設備性能參數測試、故障診斷、維修保障等功能于一體的新型維修保障平臺，從各類氣象技術裝備維修維護的實際業務需求出發，以支持LabView圖形編程的PXI硬件平臺為基礎，通過與硬件測試平臺及虛擬儀器相連接，實現對地面主要氣象觀測設備的故障檢測、測試分析、維修指導等工作。

關鍵詞：氣象裝備;測試維修;平臺設計;裝備保障

目前我國已建成龐大的地面氣象自動觀測站網，為滿足氣象預報、服務對天氣監測資料的需求，未來還將進一步增加對災害性天氣監測的時空密度，完善和發展穩定可靠的綜合氣象觀測系統。在加快提升我國地面氣象觀測能力的同時，保障能力的不足將成為制約綜合氣象觀測系統穩定可靠運行的重大問題。

地面氣象觀測系統設備類型多，同類設備型號多，故障檢測儀器和檢測標準不統一，難以適應保障標準化的要求;裝備檢測、維修以經驗為主;自動化程度低，難以滿足快速保障的要求。面對新的更高的業務需求，亟需解決地面氣象觀測裝備保障的標準化、自動化問題。

1 主要功能

省級氣象觀測設備測試維修平臺（以下簡稱維修平臺）是為了實現自動氣象站、自動土壤水分站、閃電定位儀、能見度儀、稱重式降水觀測儀等氣象觀測設備的參數測試、故障診斷、維修保障測試等自動化測試功能的系統。使用時配合測試工裝，達到最小可更換單元級的調試、維修能力，協助保障人員排除氣象觀測設備疑難故障。最大限度地提高觀測設備的測試自動化程度，從而通過業務操作流程的合理規劃及系統功能設計，實現各類設備的維修流程標準化。

2 系統組成

省級氣象觀測設備測試維修平臺包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括PXI系統、信號模擬源及采集通訊系統、工裝接口板。軟件部分主要通過與硬件測試平臺及虛擬儀器相連接，實現對地面氣象觀測設備的故障檢測、測試分析、維修向導等功能。

（1）硬件部分的核心是PXI系統，使用支持PXI總線的高性能嵌入式控制器，采用支持PXI接口的可編程電源、數字萬用表、數字示波器。

（2）定制模擬信號源及采集通訊系統：模擬信號包括各型號自動氣象站各要素、土壤水分站、能見度儀、稱重式降水觀測儀等所有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。

采集通訊系統用于采集被測試傳感器（所有地面觀測設備的傳感器）輸出值、為各類地面觀測設備采集器或采集單元命令測試及性能分析測試提供通訊通道。

（3）定制測試工裝接口集成板：用于板級測試時輸入、輸出信號的歸集，避免多路信號電纜對被測試板的纏繞。

（4）軟件部分。主控軟件安裝在PXI系統中，通過配置標準信號源，輸出各種傳感器模擬信號接入待測采集器，采集器輸出數據接入PXI系統，主控軟件將信號源和待測采集器輸出的數據進行定時的采集、對比，根據兩者之間的誤差從而給出待測采集器某一通道是否故障的判斷;將待測傳感器接入采集板（器），通過主控軟件控制采集板進行信號采集，采集板（器）將待測傳感器的數據和預先安裝在系統中的標準傳感器采集數據進行對比，從而給出待測傳感器是否存在故障的結論;測試完成后可以根據測試報告中的故障描述在專家經驗庫中進行檢索，從而找到最有可能的故障原因。

3 系統硬件設計

系統采用模塊化結構設計，根據功能設計為辦公區、維修區和測試區三個功能分區，另外設計一個可以移動的小車用于擺放被測件，方便被測件在各個功能區域之間的傳遞。測試區是系統的主體，模擬源、采集板、PXI系統等都在這一部分;維修區可以擺放維修過程中需要的各種工具，如維修臺燈、工具箱、焊臺等;辦公區可以根據需要擺放電腦、打印機等辦公設備，方便維修報告的打印和信息交互。這樣設計能最大限度的將測試維修工作所需的設備、工具擺放的位置人為分離，避免桌面的混亂。

3.1 信號源和采集板（器）的設計

定制模擬信號源及采集通訊系統：模擬信號包括各型號自動氣象站各要素、土壤水分、能見度儀、稱重式降水等所有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，其中溫度要求十路并行輸出，各路輸出信號的精度要求遠遠高于目前新型自動氣象站的精度要求。采集通訊系統主要實現對以上模擬信號的采集、顯示等功能。因此需要定制模擬信號源及采集通訊系統。

3.2 工裝接口板的設計

工裝接口板用于板級測試時輸入、輸出信號的歸集，避免多路信號電纜對被測試板的纏繞。廠家定制各種采集器配套使用的工裝轉接板，信號源和轉接板通過排線進行連接，通過更換不同類型采集器的轉接板實現不同采集器和信號源的連接。最大限度減少測試人員的工作量，避免接線不正確可能會帶來的各種問題。在轉接板內部是一個集成各種信號的電路板，可以受觸摸屏和主控軟件的直接控制來輸出信號。用戶測試不同的采集器只需要直接更換工裝接口板，無需關注接口定義等細節問題。操作簡單，適合各種層次的測試人員測試。

4 系統軟件設計

結合硬件設計，維修平臺軟件設計了模擬信號源管理、采集通訊系統管理、綜合維修測試、性能分析測試、維修指導、維修信息管理、系統管理、幫助文檔八個功能模塊。

1）模擬源管理：控制信號源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）;可以批量設置各通道;維修測試時可以根據工單號所屬儀器類型突出顯示所需通道;每次設置完成后以被測試儀器的類別為單位記錄保存設置參數，作為下次測試同類設備時的默認設置。

2）采集通訊系統管理：控制采集通訊系統各輸入通道是否打開、通訊通道通訊參數，傳感器通道采樣頻率;傳感器測試時可以控制多個通道同時采集;可以批量設置各通道;維修測試時可以根據工單號所屬儀器類型突出顯示所需通道;每次設置完成后以被測試儀器的類別為單位記錄保存設置參數，作為下次測試同類設備時的默認設置。

3）綜合維修測試：綜合維修測試模塊完成被維修設備維修測試、故障件的查找等功能。具體包括快速檢測功能，查看設備是否存在故障及故障類型，為更深入測試做準備;采集器命令測試功能，采集器在進行線路板級維修之前首先應該檢查采集器參數設置是否正常;采集器線路板級測試

功能，檢測地面探測設備采集器或采集單元的每一塊電路板是否有故障;元件級關鍵點測試功能，完成具體故障元件的查找。

4）性能分析測試：性能分析測試是為了分析采集器、傳感器等設備是否存在故障及是否性能不良（穩定性、準確性等），需要長時間連續觀測并分析其性能。

5）維修指導：維修指導主要完成專家庫記錄的生成、導出、導入、檢索等功能。

6）維修信息管理：主要完成設備維修周期內必要信息的登記及管理，包括儀器信息錄入、設備維修后的處理、維修報告生成與打印、測試記錄查詢等功能。

7）系統管理：系統管理主要完成平臺軟件安裝后的初始化設置，包括用戶權限管理、設備信息管理、單位信息管理、日志管理、系統對時功能。

8）幫助：幫助模塊為HTML幫助文件，提供中文幫助主題檢索，具體包括PXI示波器手冊、PXI程控模擬開關手冊、數字萬用表手冊、模擬源使用手冊、采集通訊系統使用手冊、業務流程操作手冊。

5 系統的先進性與創新性

5.1 基于虛擬儀器技術的集成式氣象觀測設備測試維修平臺

系統采用基于Labview語言的PXI系統為核心，集成了采用觸摸屏操作的標準信號源和采集系統，實現了自動氣象站、土壤水分站、閃電定位儀、能見度儀、稱重式降水等多種氣象觀測設備的測試維修。

5.2 工裝接口板的設計實現

工裝接口板能實現各種采集器的維修測試，接口板使用相同的底層電路板和外殼，配備不同的信號電纜和插頭，實現信號源到待測采集器的快速接入。

5.3 專家經驗庫設計與實現

專家經驗庫設計為兩個結構完全相同的表構成，兩個表的功能完全相同，唯一的區別是對用戶的開放程度不同。其中一個是廠家標配，出廠時已經輸入了若干經過整理的案例號，用戶只能查看不能修改;另一個專家經驗表是由用戶根據自己已經掌握的知識來進行添加，管理員權限的用戶有權利對其進行增補和修改，從而實現了經驗的不斷增長。

6 小結

目前省級測試維修平臺已經通過中國氣象局組織的業務驗收并投入使用，省級測試維修平臺的建立有效提高了省級氣象裝備維修保障能力，借助維修平臺可對自動氣象站等氣象觀測設備更換下的采集器、傳感器、故障組件及模塊進行故障診斷和維修，達到降低維修成本、節省維修時間的目的。

參考文獻：

[1]李建國，高玉春.國家級新一代天氣雷達維修維護測試平臺研究[C].北京：中國氣象學會年會，2011.

[2]呂文華，邊澤強.地面氣象觀測站自動檢測系統研究[J].氣象，2009，35（2）：106110.

[3]李成偉，自動氣象觀測站數據采集器檢測儀設計與實現[D].西安電子科技大學，2010.

[4]段道聚，張永禎.虛擬技術在雷達維修診斷平臺中的開發應用[J].電子工程師，2008，34（4）：13.

[5]馬亮，李云濤，楊雪峰.LabVIEW的電子設備故障檢測系統[J].計算機系統應用，2012，21（8）：152155.

[6]曹妍.基于虛擬儀器及PXI的信息化設備自動檢測系統[J].國外電子測量技術，2008，27（10）.

作者簡介：劉 峰（1981），男，碩士，工程師，主要從事氣象裝備保障技術研究與應用。