综合集成硬件控制器的设计与实现

张　鑫，李　艳，包　坤

（1．中国气象局气象探测中心，北京100081；2.华云升达（北京）气象科技有限责任公司，北京100081；3.北京华云东方探测技术有限公司，北京100081）

综合集成硬件控制器的设计与实现

张鑫1，李艳2，包坤3

（1．中国气象局气象探测中心，北京100081；2.华云升达（北京）气象科技有限责任公司，北京100081；3.北京华云东方探测技术有限公司，北京100081）

针对目前地面气象观测中设备众多、可扩展性不强等问题，本文设计了一种应用于地面气象观测的综合集成硬件控制器。设计采用以ARM9为内核的芯片级微处理器运行Linux操作系统的技术，实现了两种通信协议之间的转换和多种硬件设备之间的集成通信，解决了诸如观测设备众多、采样频次高、观测数据完整性要求高等难题。综合集成硬件控制器设计完成后，在全国多个地面气象观测台站进行使用，经过对使用情况进行统计分析，综合硬件集成控制器运行稳定，具有集成度高，扩展性强的优点。

集成化；ARM9；Linux；综合集成硬件控制器

1　引言

随着气象观测技术的发展和集成化观测方式的兴起，我国地面气象观测系统急需自动化程度更高、集成化程度更高的数据收集和处理的设备。我国现有2400多个国家级地面气象观测站和数以万计的区域观测站，其中绝大部分基本实现了自动观测，但观测场设备众多、集成化程度不高、可扩展性不强，造成台站观测设备工作效率不高、观测人员设备维护工作量大。因此，中国气象局气象探测中心组织技术人员和相关研发单位共同设计了一个集成控制的核心业务设备，称为综合集成硬件控制器，也称串口服务器，可以集成和扩展自动气象站、云、能见度、天气现象、称重降水、雪深、辐射类等多种观测仪器。

在系统设计过程参考了多种技术路线，如王海勇［1］所提到的串口服务器具有代表性，通常以ARM7/ 9为内核的芯片级微处理器运行Linux操作系统，并配合上位机终端实现设备应用，范永刚［2］详述了通过修改串口服务器内核来提高设备性能的方法。随着计算机技术的不断发展，采用不同的模块设计和组合，同样可以很好地实现串口服务器的功能，串口服务器在煤炭［3］、电力［4］、化工仪表［5］、灾害监测［6］、通信［7］等行业成功应用，这些应用案例在工程实践上验证了串口服务器的可用性和通用性。

由此，为了满足气象探测领域的观测需求和集成化要求，本文将详细介绍气象用综合集成控制器的总体设计、组成结构和主要功能，并统计分析其在台站的实际应用情况以及所存在的问题，最后给出阶段性小结。

2　总体设计

综合集成硬件控制器硬件部分采用嵌入式ARM9微控制器芯片SC2440实现基于Linux系统的驱动接口软件。网络管理基于Linux系统自带的TCP/IP协议栈开发，网络接口模块DM9000A接口方式实现。数据存储采用SD卡作为存储介质，SD卡具有质量轻、容量大、数据传输速率快以及移动灵活等特点，使用比较方便。为保证系统的可靠运行和异常情况恢复，系统复位分为两种模式，即正常复位和恢复出厂设置。正常复位即一般的按键复位模式，电路设计上采用MAX811芯片，MAX811是一种MCU电压监视器，能监视3 V、3.3 V以及5 V的电压，低电平有效复位，具有低功耗以及精密电源监控的特点。观测设备接口模块分为RS-232/485/422模块、光纤串口转换模块，两种模块与核心控制器接口统一采用TTL串行信号，接头为DB9公头，便于更换不同模块的兼容性。上位机驱动软件开发采用Windows的WDM（视窗驱动程序模块）式驱动技术方法，驱动源代码分为驱动入口、回调函数、附加函数等三大部分，实现对综合集成硬件控制器的添加，网络信息配置、通信参数设置，历史数据下载和远程在线更新等功能。

3　组成结构

综合集成硬件控制器包括室内和室外两部分，室外部分通过标准接口与观测设备连接通信，室内部分业务终端通过UTP网线与光电转换模块连接进行数据通信，室内外通过光纤连接。硬件包含通信控制模块、光电转换模块、交流防雷模块、供电单元等。综合集成硬件控制器的组成结构和接线如图1、2所示。

图1　综合集成硬件控制器组成结构图

图2　综合集成硬件控制器接线图

综合集成硬件控制器室外部分具备以下接口：

（1）8个RS-232/485/422（ZigBee或ST光纤）接口用于连接观测设备；

（2）1个RJ45接口用于以太网信号输出；

（3）1个RJ45接口用于多个通信控制模块级联；

（4）1对ST光纤收发接口，用于连接室内部分进行光信息传输；

（5）1个USB接口，用于设备调试；

（6）1个SD卡插槽。

综合集成硬件控制器室内部分具备以下接口：

（1）1个RJ45接口，用于连接数据终端；

（2）1对ST光纤收发接口，用于连接室外部分进行光信息传输。

3.1通信控制模块

通信控制模块是综合集成硬件控制器的核心部件，主要功能是完成各种观测设备数据的接收、存储，通信方式转换，光电隔离，串行通信转以太网通信，以太网通信转光纤通信和通过指示灯显示设备运行状态等。

通信控制模块具备RS-232/485/422/ZigBee/ST光纤接口、RJ45接口、光纤接口、USB接口等多种通信接口，可以直接接入8路观测设备，并具备扩展到16路观测设备的能力，支持调试和数据通信传输（本地/远程）功能。

3.2光电转换模块

光电转换模块实现以太网通信与光纤通信的转换，通过光纤与室外通信控制模块连接通信，具备RJ45接口和ST光纤收发接口。

4　主要功能

按照综合集成硬件控制器的工作流程，其主要功能包括：设置网络信息、设备联网、设置串口信息、数据存储、驱动程序、管理软件、在线升级等。

综合集成硬件控制器支持网络信息设置，实现与业务终端的网络通信。在业务终端成功安装完成了综合集成硬件控制器的管理软件后，启动配置软件实现搜索设备IP、连接设备和对设备进行管理的功能；支持网络信息（如IP、网关等）的动态配置、串口信息如波特率等的动态配置、历史数据下载和设置用户名密码等功能，方便系统进行远程管理与操作；支持每路串口信息进行设置，包括工作方式、波特率和数据位等具体内容；综合集成硬件控制器存储卡最小容量1G，可以备份不少于1个月的观测数据，数据以文件形式存储，存储模式为"先入先出"。综合集成硬件控制器的驱动程序能将8个RS-232/ 485/422接口在计算机中映射成8个虚拟串口，应用程序可以虚拟串口。管理软件可以设置网络参数、串口参数、串口通信类型和用户名与密码等内容，并提供下载历史数据等功能。在不更改任何硬件设备的前提下，计算机终端可以对综合集成硬件控制器中的软件进行远程在线升级。

5　应用情况分析

截止2015年6月，全国27个省（区）地面气象观测台站共安装综合集成硬件控制器192台，主要涉及2个厂家的3种型号，2013年6月-2015年6月共发生故障102次，其中主要的故障情况可归结为：设备死机故障78次，占76.5%；网络故障10次，占9.8%；联网故障9次，占8.8%；雷击故障5次，占4.9%。

在综合集成硬件控制器发生的故障情况当中，设备死机故障发生次数最多，主要表现为观测数据不能正常上传、终端软件对观测设备通信失效和不能正常响应等，联网故障主要表现为综合集成硬件控制器与业务终端无法通信，网络故障主要表现为设备能正常工作，但观测数据无法正常上传，雷击故障是野外用设备最常见的故障类型，但雷击引起的故障占比相比于自动气象站已经大幅度下降，2007-2008年由于雷击引起的故障占总故障的20%［8］。引起以上这些故障的原因是多方面的，而且不同模块发生的故障原因也很多，有些是单独发生的，有些是多种故障伴随发生的，如设备在野外高湿环境下长时间工作，造成设备内部电子线路板损坏；如产品生产时，选取的某些零部件存在问题；如设备嵌入式软件设计不合理，造成驱动异常、通信异常等。

6　小结

本文首先详细介绍了综合集成硬件控制器的设计思路、组成结构和主要功能，其次，统计并分析了综合集成硬件控制器在台站中应用情况和发生故障的原因，得到如下结论：

（1）综合集成硬件控制器是地面气象观测系统的集成设备，提升了地面气象观测系统的集成化程度，不仅可以集成目前所有的观测设备，还可以为未来新增观测设备提供便利。

（2）综合硬件集成控制器采用嵌入式ARM9微控制器芯片，具有体积小、功耗低、运算速度高、稳定性好等优点，尤其应用在气象观测方面，可以很好的解决诸如观测设备众多、采样频次高、观测数据完整性要求高等等这些难题。

（3）综合集成硬件控制器采用光纤通信，对于维护保障，尤其是在防雷效果方面，有了显著的提升。

（4）综合集成硬件控制器还存在很大的技术和质量的提升空间，还需要进一步优化系统结构设计和嵌入式软件功能，改进设备生产工艺。

［1］王海勇.基于ARM9的嵌入式多串口服务器设计［J］.化工自动化及仪表，2013，40（3）：372-376.

［2］范永刚，刘绍方，董晶，等.基于ARM的高性能串口服务器的研究与实现［J］.计算机工程与设计，2012，33（4）：1378-1384.

［3］张林，纪洪准.基于串口服务器的选煤厂综保后台系统研究［J］.机电信息，2013（18）：142-143.

［4］吴小平，高平山，刘士忠.电力线串口服务器的设计与实现［J］.计算机应用研究，2006，23（9）：201-202.

［5］何红.基于虚拟网络技术的计量信息管理系统［J］.自动化仪表，2010，31（9）：37-39.

［6］况海龙，熊庆国.基于串口服务器的声发射监测系统设计［J］.电子设计工程，2013，21（13）：91-93.

［7］冯伟浩.基于串口服务器于通信局站动力监控的组网及实施方案［J］.数字技术与应用，2013（7）：29-30.

［8］周青，梁海河，李雁，等.自动气象站维修保障能力评估［J］.气象科技，2012，40（3）:349-352.

1002-252X（2016）03-0034-03

2016-6-1

张鑫（1982-），男，河北省承德市人，北京理工大学，硕士生，工程师.