山西省氣象探測設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)備進(jìn)行檢測，提高了檢測效率和準(zhǔn)確性，為氣象裝備保障人員提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;氣象裝備;氣象業(yè)務(wù)服務(wù);維修流程

中圖分類號：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.034

面對日益增長的氣象業(yè)務(wù)服務(wù)需要，山西省地面氣象觀測系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)備故障的檢測儀器種類多、故障檢測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、故障檢測主要憑經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論，人為的故障檢測方式導(dǎo)致工作效率低，無法保證氣象裝備維修維護(hù)的及時性。面對新的業(yè)務(wù)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(wù)操作流程的合理規(guī)劃及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的維修流程標(biāo)準(zhǔn)化，解決山西省地面氣象裝備保障的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的軟件平臺系統(tǒng)，由于其靈活的擴(kuò)展性和方便的使用性而被廣泛應(yīng)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(diǎn)是圖形化編程。主要由三部分組成：前面板、塊狀圖表、圖標(biāo)/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(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化分析和設(shè)備自動化控制。程序員能夠應(yīng)用與真實(shí)儀器類似的控制端、顯示端（如開關(guān)、按鈕、圖形等）做出所需面板。利用LabVIEW調(diào)試工具，能夠進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)置、程序運(yùn)行時間設(shè)計(jì)、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(jìn)行顯示。用戶能夠利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和顯示、連接虛擬組件所需求的儀器設(shè)備進(jìn)行操作、數(shù)據(jù)處理和輸入輸出顯示、配置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器相關(guān)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(qiáng)大，能夠進(jìn)行信號仿真、信號處理、濾波、時間一頻率分析等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shù)，能夠提供氣象觀測設(shè)備的性能參數(shù)設(shè)定測試、設(shè)備故障快速診斷、維修維護(hù)等功能;能夠最大限度地提高山西省地面氣象觀測設(shè)備的自動化測試能力，可實(shí)現(xiàn)地面氣象設(shè)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(biāo)準(zhǔn)信號源模擬、信號采集通信系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速風(fēng)向驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成;PXI系統(tǒng)主要由萬用表、示波器和程控電源等構(gòu)成。

軟件系統(tǒng)具有最直接的人機(jī)交互操作以及管理等上層功能，硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)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(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，引入氣象地面觀測設(shè)備的保障經(jīng)驗(yàn)，以地面氣象觀測設(shè)備的故障特點(diǎn)為研究前提，采用先進(jìn)的電子測量技術(shù)和信號處理技術(shù)，能夠較全面地覆蓋現(xiàn)階段氣象探測業(yè)務(wù)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(jī)設(shè)定、設(shè)備電路板板級維修以及輔助維修測試等方面。硬件模塊設(shè)計(jì)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(jī)軟件控制系統(tǒng)、風(fēng)速風(fēng)向控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，軟件系統(tǒng)控制的核心是上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)，其功能實(shí)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(dǎo)、維修信息管理、系統(tǒng)管理、幫助八個主要功能模塊構(gòu)成。軟件系統(tǒng)通過與硬件測試儀器平臺以及虛擬儀器進(jìn)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(shè)備進(jìn)行維修測試、故障診斷、分析維護(hù)等保障工作。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)備為地面觀測設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)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(shè)備為各種型號觀測設(shè)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(shè)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(jìn)行持續(xù)觀測，同時對傳感器、采集器等氣象觀測設(shè)備存在的問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

維修指導(dǎo)：系統(tǒng)將對地面氣象觀測系統(tǒng)各類信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測、分析、維修向?qū)У裙δ埽瑢＜抑R庫本身也具有可持續(xù)升級完善功能。軟件模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)連接故障設(shè)備，通過LabVIEW虛擬儀器進(jìn)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(shè)置模擬信號源、采集系統(tǒng)，完成測試、分析，并出具維修報(bào)告。具體流程如下：①測試人員收到設(shè)備后，首先進(jìn)入維修平臺軟件系統(tǒng)進(jìn)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(shè)備的唯一標(biāo)識;錄入之后根據(jù)輸入的信息、軟件自動待測設(shè)備信息，以圖片的形式指導(dǎo)用戶進(jìn)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(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入維修指導(dǎo)模塊。根據(jù)測試結(jié)果，用戶輸入對應(yīng)的故障關(guān)鍵字，專家?guī)鞎阉鞒雠c關(guān)鍵字相關(guān)的所有案例，并按照相關(guān)程度大小進(jìn)行從上到下排列。鼠標(biāo)點(diǎn)擊確定需要查看的案例后，界面上顯示相關(guān)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(rèn)，最終認(rèn)定待測件的問題所在。同時增加專家?guī)煊涗浶畔ⅰＯ到y(tǒng)把得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)庫的不斷增長。④測試完成后根據(jù)用戶要求生成測試報(bào)告及測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下載和打印。