DPZ2型綜合集成硬件控制器的應用要點及常見故障處理

唐輝亮 許杰文 吳昱珊

(1.福建省三明市氣象局,福建 三明 353000;2.福建省大田縣氣象局,福建 三明 366100)

0 引言

隨著科技的進步與氣象業務的發展,越來越多新型觀測設備在國家地面氣象觀測站投入運行。為實現多種氣象裝備之間的統一控制與數據收集,解決設備種類繁多、通訊方式多樣、擴展性低等一系列問題,綜合硬件控制器逐漸被廣泛應用到氣象觀測業務中。DPZ2型綜合集成硬件控制器(以下簡稱DPZ2)是目前福建省氣象觀測業務中最新型號綜合集成硬件控制器。相較DPZ1型綜合集成硬件控制器,其在集成的多串口通信、設備管理和光電轉換等功能上有多項升級改進,能更好地滿足了目前業務發展的要求。作為國家地面氣象觀測站氣象數據集成傳輸的關鍵設備,DPZ2是否穩定運行直接關系到臺站氣象設備數據的正常采集、傳輸與處理。因此,對DPZ2應用細節及常見問題進行分析總結具有現實意義,可為各臺站保障人員對設備進行維護、維修提供參考,保障氣象數據采集工作順利開展。

1 DPZ2功能與結構

1.1 功能

DPZ2是一種用于擴展串行設備和網絡通信應用的設備,其集成多串口通信、信號轉換、磁耦隔離和光電轉換等功能,可使用光纖、網線將采用不同通信方式的多個設備數據進行遠距離傳輸,并在安裝后通過局域網訪問現有串口設備,實現對各類串口設備的數據集成傳輸、設備統一調試等功能[1]。DPZ2的應用能夠幫助氣象站減少觀測場布線,提高地面氣象綜合觀測系統的集成化程度、可擴展性、穩定性、可靠性和觀測數據的利用效率。

1.2 結構

DPZ2由通信控制模塊、光電轉換模塊、供電單元等組成,具體如圖1所示。

圖1 DPZ2結構示意圖

通信控制模塊是DPZ2的主體,主要實現數據集成收發、設備統一控制等功能;光電轉換模塊起信號轉換作用,可實現電信號和光纖信號之間的轉換;DPZ2供電單元與觀測站中主采集器供電單元相同,主要通過電源轉換模塊將220V市電轉換成12V直流供電。

2 DPZ2安裝與配置要點

2.1 硬件連接

2.1.1 硬件接口示意圖

DPZ2擁有多種類型的硬件接口,其主要硬件接口集中設計在通信控制模塊的上下兩面,如圖2所示。

圖2 硬件接口示意圖

2.1.2 連接電源

將供電單元的12V供電線路以PIN1-負極、PIN3-正極為順序連接至通信控制模塊的供電串口。電源正常接通時,“Power”指示燈保持常亮,系統正常進入工作狀態之后,“Ready”指示燈保持閃爍。

2.1.3 連接網絡線路

2.1.3.1 光纖連接

實際業務中,通信控制模塊與光電轉換模塊多采用光纖連接能有效減少雷擊等對設備的損害,增加抗干擾能力。各觀測設備的數據(電信號)經通信控制模塊轉換為光信號,通過光纖發往室內光電轉換模塊轉換為電信號進行應用。光纖連接時,應分別將通信控制模塊光纖接口的TX1(左)、RX1(右)連接至光電轉換模塊的RX、TX接口。這是因為RX為數據接收端口,TX為數據發送端口,光纖通路兩端接口應成收發對應關系。

2.1.3.2 網線連接

網線連接多在光電轉換模塊與業務電腦之間使用,主要分為4種方案,如圖3所示。方案一是光電轉換模塊輸出端接入交換機實現業務連接,該方案利用了辦公場所原有交換機設備與布線工程,各地線路數量與維護狀況差異較大,但業務電腦出現故障時,只需要更改備用業務電腦的網絡設置即可快速重啟觀測業務傳輸;方案二是直接利用光電轉換模塊網口的交換功能,分別將內網與業務電腦連接至光電轉換模塊網口。該方案線路相對獨立,易于維護,但切換業務電腦時需將線路一起切換;方案三是使用雙網卡實現設備互聯,特點是內網與DPZ2傳輸各自獨立連接不同網卡后,一同連接至業務電腦。此方法保證了DPZ2的傳輸獨占一路網卡帶寬資源,但網絡連接與設置較為復雜[2];方案四是利用網線直接將業務電腦與通信控制模塊的網口相連,該直連方案無中間網絡設備,連接簡單,但抗干擾能力差,適用于DPZ2與掛接設備的故障調試。

圖3 DPZ2網絡線路連接方案示意圖

DPZ2網絡正常接通之后,通信控制模塊“Link/Act”指示燈閃爍。值得注意的是,通信控制模塊的4個網口也具有交換功能,必要時可作為觀測場臨時內網接入設備。

2.1.4 串口連接

DPZ2的16個串口安裝有磁耦隔離器,隔離了電連接,可抑制干擾和浪涌。串口支持RS-232/422/485三種通信方式,安裝時可根據觀測設備通信方式進行選擇,并通過調整串口數據線的接線端子線序實現RS-232/422/485通訊方式之間的切換,詳細接口管腳信號定義如表1所示[3]。

表1 串口各端口定義表

2.2 軟件安裝與通訊連接

2.2.1 驅動安裝

DPZ2驅動程序是計算機軟件與DPZ2設備實現通信的必要程序,只有DPZ2驅動程序正確安裝后,業務人員才可通過其附帶的桌面管理軟件(以下簡稱桌面端)或網頁配置端(以下簡稱Web端)實現搜索設備、配置參數、虛擬串口管理、升級固件等管理功能。

2.2.2 設備識別

DPZ2默認通訊IP 地址為 192.168.1.1,需將業務電腦IP地址改為同一網段,業務電腦才可正常識別DPZ2。如使用默認IP不能正常識別設備,可通過桌面端廣播搜索在線設備并顯示其IP。需注意的是,桌面端的修改IP地址功能修改了DPZ2登錄識別IP地址,設備實際IP地址沒有變化。如需修改實際設備IP地址,則應登錄系統配置界面,在網絡設置中進行修改。

2.2.3 串口映射

串口映射功能將DPZ2提供的1-16串行端口映射至Windows 系統的 COM 通信端口,以實現業務電腦對串口數據的讀取。串口映射功能需登錄桌面端,程序將自動搜索在線且可設置的設備或串口,并列出1-16串行端口信息,右鍵點擊任一串口信息,可獨立對任意串口對應的COM 通信端口號與IP地址進行單獨設置。需注意的是,如果執行刪除COM 端操作,COM 端口處于打開狀態時, COM 端口將不能被立即刪除,系統將在下次重新啟動的時候自動刪除該 COM 端口[1]。此外,更改DPZ2設備IP地址后,應關閉業務軟件后重新進行串口映射,否則設備將不能正常讀取數據,影響業務運行。

2.3 常見參數配置與重要功能介紹

2.3.1 配置界面登錄

2.3.2 網絡設置

DPZ2的網絡設置主要包含IP設置、Zigbee波特率配置、RTC時間設置、重啟設置、NTP服務設置等,以IP設置最為關鍵。IP設置時,可將DPZ2設備IP設置為內網IP段,或保留DPZ2原有默認IP段(192.168.1.0)。

若連接方式采用方案一和方案二。因交換機的功能,無論DPZ2設備IP設置為內網IP段還是默認IP段,在設置完成后,內網中所有與DPZ2擁有相同IP段的電腦都可訪問并設置DPZ2。不同的是,采用內網IP地址時需規范IP地址管理,以防止發生IP沖突而導致DPZ2網絡異常。使用默認IP地址時,因默認地址與內網IP不同網段,業務電腦需保留現有IP地址的基礎上增加默認IP地址。操作步驟如下:本地連接→右鍵→屬性→INTERNET協議4(TCP/IPv4)→屬性→高級→IP設置→添加。按需填寫后,即可完成多個IP的設置[4]。

若連接方式采用方案三,兩張網卡IP地址與各自所連網絡或設備的IP地址需處于相同網段,設置完成后,除本機外其他電腦不能正常識別與連接DPZ2。除此之外,該方案還可以嘗試將兩張網卡進行橋接,實現設備之間網絡共享。橋接操作如下:進入網絡連接,同時選中2個網卡連接→右鍵→橋接。等待出現網橋圖標,網橋可像普通本地連接一樣進行配置[5]。需要注意的是,因不同網卡間存在兼容問題,可能導致雙網卡配置時出現如桌面端無法正常搜索到識別在線設備、Web端無法正常打開、橋接后某網卡所屬網絡訪問異常等情況。此時,可分別嘗試使用指定IP搜索、使用桌面端登錄、嘗試更換性能與兼容性更好網卡等方法處理。實際業務中,3G報警設備也獨立設置了網卡并與業務電腦相連,在IP設置時,應注意檢查IP是否與DPZ2沖突。

2.3.3 串口通信設置

串口通信設置功能可對16個串口的通信參數進行單獨設置。目前,福建省氣象業務觀測設備主要使用RS-232與RS-485串口通信,其通信參數為波特率9600、數據位8、停止位1、流量控制無、奇偶校驗無,串口工作模式使用默認的實端口模式(Real Port Mode)。

2.3.4 安全設置

安全設置功能可以對Web控制臺、Telnet控制臺、設備搜索等進行設置,默認情況下各功能都為啟動狀態。其中,Web控制臺、Telnet控制臺如關閉將不能登錄Web端,設備搜索關閉后桌面端將不能自動搜索到在線DPZ2。

盡量不吸煙，少飲酒，少喝濃茶、咖啡等，少食辛辣食物。有過敏反應體質的人，應盡量少吃或不吃富含異體蛋白質的食物（如魚、蝦、螃蟹、蛋、牛奶等），以免引發或加重瘙癢。可適量補充植物油脂、維生素C、維生素B及維生素E等。多喝開水，也是對皮膚的恩澤。

2.3.5 狀態監測

狀態監測功能對DPZ2的16個串口得到的網絡連接狀態、串行通信狀態、串口通信參數進行監測,并以列表的形式詳細顯示了16個串口的IP地址、連接情況、串口數據收發細節、串口通信參數等內容。

2.3.6 重啟與單串口重啟

重啟功能可以對DPZ2進行不斷電的軟重啟,以解決一部分內部程序卡死問題。串口重啟功能可實現針對16個串口的單個串口重啟,重啟時不影響其他串口的正常使用。需要注意的是,重啟端口操作會中斷對應串口的通信和以太網連接,未傳輸完畢的數據存在丟失風險。

3 DPZ2常見故障分析與處理

3.1 硬件故障

3.1.1 電源故障

通信控制模塊使用DC9-15V電源,日常平均功耗10W。當發生電源故障時,DPZ2的所有狀態燈不亮,且電源串口PIN1與PIN3之間直流電壓小于9V或大于15V。故障處理應逐級檢查市電空開輸入輸出、整流器輸入輸出、電池輸入輸出、刀片開關輸入輸出和串口端子接線,以確定故障點,完成維修或硬件更換。光電轉換模塊電源因在室內,其故障排除重點檢查其供電串口PIN1(2)與PIN4(3)之間直流電壓是否為12V。

3.1.2 線路故障排除

①串口連接線路故障。其主要為線路虛接與斷路,出現故障時,相應通信控制模塊的串口發送狀態指示燈TX1-TX16、串口接收狀態指示燈RX1-RX16長滅。首先,應排除端子虛接,可嘗試重新連接端子,特別注意線材膠皮部分不應插入端子過深,以防端子螺絲固定在膠片處導致斷路;其次,使用萬用表蜂鳴檔檢查端子各接線口之間是否存在短路情況。任意兩個接線口使用萬用表測量,若蜂鳴則端子存在短路,需更換端子;最后,檢查線路斷路情況,可采用短接法進行排查。將線纜中的子線一端兩兩短接后,使用蜂鳴檔測量短接子線另一端通斷情況,蜂鳴表示通路,即2根子線正常,無蜂鳴則表明2根子線某處斷路[6]。

②光線路故障。其主要由于纜被過度彎折擠壓、蟲鼠啃咬導致光路受阻或中斷,出現故障時,通信控制模塊的光纖連接狀態指示燈LNK7/8、網絡收發狀態指示燈Link/Act及光電轉換模塊的光纖連接指示燈Link不亮。檢查時,可用紅激光筆對準光纖一端,如另一端有明亮的紅激光射出則光纖正常[7],如光纖其他明線部位出現紅色激光,則該部位內部光纖中斷或受阻,無備份線路時,可邀請專業人員熔接配合完成故障維修。業務用光纖有備份光纖線纜,可在故障時嘗試切換,如切換后仍異常,需整體更換光纖。

③網線線路故障。其主要表現為接口虛接、水晶頭老化、斷路,故障時相對應的通信控制模塊網絡連接指示燈LNK1-4、網口10/100M 速度指示燈SPD1-4與光電轉換模塊網口10/100M 速度指示燈SPD、雙工狀態指示燈FDX不亮或異常。其中,通信控制模塊與光電轉換模塊網口SPD指示燈不亮或紅色,表明無傳輸或傳輸速度未達到100Mbps。故障處理時,可將網線拔下檢查水晶頭的銅觸點是否光亮,發黑則氧化嚴重,應重新制作水晶頭或更換網線。如網絡仍不正常,可使用網線對線器查看網線8芯子線通信情況,以判斷網線是否虛接或斷路。正常為網線對線器指示燈按順序依次點亮,不亮或亂序為異常。異常時,應先嘗試重新制作水晶頭,如依舊異常則更換網線。

3.1.3 DPZ2單接口故障

因DPZ2主要接口都具有雙備份,各接口單獨故障時,可觀察DPZ2相應指示燈是否狀態正常,并可將線路轉接至其余備份接口以確定,接口故障時應返廠維修。對于串口故障,還可使用短接串口的方式確認,將串口PIN1 、PIN2短接,并使用串口調試軟件對串口發送數據,如串口收發正常將返回所發送數據[8]。此外,可測量串口PIN1 、PIN2供電電壓,正常為4～5V。ST光纖接口的故障確認方法與串口類似,區別為需使用光纖短接RX與TX接口后測試命令。

3.1.4 通信控制模塊設備故障

通信控制模塊故障多表現為確認線路正常后,其全部指示燈全不亮或全常亮,正常連接、使用USB連接或網線直連都無法連接訪問DPZ2。故障發生后應第一時間檢查通信控制模塊輸入電壓是否正常,若排除電源故障,應返廠維修。通信控制模塊運行正常時,電源指示燈POWER為常亮,系統狀態指示燈RUN以1HZ頻率閃爍,若出現指示燈RUN狀態異常,考慮為硬件死機,可在非整點時間嘗試斷電重啟。

3.1.5 光電轉換模塊故障

若線纜連接正常、供電檢查無誤時,光電轉換模塊出現指示燈全部不亮或全部異常閃爍,多為光電轉換模塊故障。可直接采用網線直連DPZ2或更換光電轉換模塊,若數據正常接收,則為光電轉換模塊異常,應更換設備。應急處置時,可嘗試購買采用相同技術指標且類型相同的ST雙纖單模(或多模)光纖收發器臨時代替。

3.1.6 DPZ2指示燈狀態

DPZ2的通信控制模塊與光電轉換模塊都帶有多種狀態指示燈,這些指示燈能夠很好地指示系統當前的運行狀態。光電轉換模塊面板指示燈可參照前文線路故障排除中的介紹,此外,其標識有SPD、FDX的指示燈為TX1網口對應的狀態指示燈,下方無標識的指示燈為TX2網口對應的狀態指示燈。

3.2 軟件故障

3.2.1 IP地址錯誤或沖突

當網絡線路與設備指示燈正常,突然出現業務電腦與DPZ2出現網絡異常或不穩定,而其他電腦內網正常,應第一時間檢查業務電腦與DPZ2設備IP,確保與連接的網卡IP段相同,同一個局域網內不出現相同IP的設備。若IP設置正常,則應排查IP沖突故障,可關閉業務電腦或DPZ2,使用其他電腦在CMD命令窗口中使用“ping x.x.x.x-t”命令持續查看業務電腦或DPZ2設備的IP是否被ping通,若ping通則存在IP沖突。此時,應將沖突的IP改為其他可用的同網段IP。

3.2.2 串口COM號被占用

串口COM號被占用表現為串口映射時串口無法完整選擇COM1-COM16端口號。若為其他程序占用,可卸載占用程序后,通過注冊表來更改COM端口號被占用狀態。在開始→運行中輸入“regedit”進入注冊表;進入HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/COM Name Arbiter;找到數值項ComDB后刪除,刪除此項是讓系統重新構建COM端口列表;關閉注冊表,重新進行串口映射[9]。若為DPZ2驅動程序本身占用了相關COM端口號,可對DPZ2設備虛擬端口號進行修改,在控制面板→設備管理→端口(COM和LPT)→通信端口(在用端口號)→端口設置→高級→COM端口號→下拉表格中選擇其他COM端口號→確定保存。

3.2.3 串口參數錯誤

業務軟件最終通過虛擬COM端口對DPZ2進行通信,如桌面端、Web端能夠訪問DPZ2且排除觀測設備故障,但業務軟件無法讀取氣象數據時,多為串口參數故障。排除故障時,應首先通過桌面端檢查串口映射是否正常,各串口映射的IP與DPZ2設備IP是否相同;其次,確認觀測設備所連串口、該串口所映射的COM端口號、業務軟件掛接項目選擇的COM 端口號是否對應;最后,檢查業務軟件掛接項目配置的串口通信方式、波特率、數據位等通信參數與DPZ2中對應串口的串口通信參數是否一致,是否與觀測設備通信要求匹配。

3.2.4 驅動程序異常

驅動程序異常時,業務電腦能夠ping通DPZ2設備IP,但無法正常連接與配置DPZ2。故障排查應查看系統進程與系統服務中是否有名為NComDaemon的進程與本地服務,如進程缺少此項,則驅動異常,需重新安裝。當NComDaemon進程與本地服務存在,可先查看任務管理器中此進程是否占用了大量系統資源,占用較大則表明驅動卡死,應強制結束進程并重啟電腦。若進程正常,通過電腦管理工具查看服務狀態是否為自動,若不是,則應改為自動狀態并重啟電腦。

3.2.5 DPZ2死機與無法登陸

如DPZ2指示燈正常,且排除其他故障,但所有氣象數據接收中斷或不穩定,則DPZ2出現死機現象。此時可先嘗試使用桌面端或Web端內的重啟設備功能,進行軟重啟。當軟重啟無效時,使用通信控制模塊RST(RESTORE)按鍵的強制重啟功能。短按RST按鍵后松開,等待RUN指示燈滅后,20秒左右重新開始閃爍,此時說明系統重啟正常。此外,若遺忘DPZ2的登錄密碼,因錯誤配置等其他原因導致系統不可訪問,可通過RST按鍵進行恢復出廠設置。操作時按下RST按鍵5秒以上,直到RUN指示燈閃爍后松開,此時網絡連接等指示燈會保持原來常亮或者常滅的狀態,20秒左右RUN開始閃爍,說明恢復成功[1]。

4 結束語

國家地面氣象站承擔著國家氣象觀測任務,是現代氣象業務重要數據支撐,保障其觀測系統的穩定運行是氣象預報預警業務做到監測精密、預報精準、服務精細的基本要求。作為觀測系統內傳輸氣象數據的關鍵設備,DPZ2的錯誤配置與故障都將嚴重阻礙氣象數據的穩定采集,直接影響氣象預報預警業務的及時有效開展。在日常工作中,維護人員要密切監測DPZ2軟硬件的運行狀況,加強備件儲備與異常數據的分析處理,掌握安裝與故障排除方法,以高效處理DPZ2可能出現的各類問題,確保DPZ2長期處于良好工作狀態。