省级气象观测设备测试维修平台的设计与实现

刘峰 李建宇 周旭辉

摘要：省级气象观测设备测试维修平台是集气象观测设备性能参数测试、故障诊断、维修保障等功能于一体的新型维修保障平台，从各类气象技术装备维修维护的实际业务需求出发，以支持LabView图形编程的PXI硬件平台为基础，通过与硬件测试平台及虚拟仪器相连接，实现对地面主要气象观测设备的故障检测、测试分析、维修指导等工作。

关键词：气象装备;测试维修;平台设计;装备保障

目前我国已建成庞大的地面气象自动观测站网，为满足气象预报、服务对天气监测资料的需求，未来还将进一步增加对灾害性天气监测的时空密度，完善和发展稳定可靠的综合气象观测系统。在加快提升我国地面气象观测能力的同时，保障能力的不足将成为制约综合气象观测系统稳定可靠运行的重大问题。

地面气象观测系统设备类型多，同类设备型号多，故障检测仪器和检测标准不统一，难以适应保障标准化的要求;装备检测、维修以经验为主;自动化程度低，难以满足快速保障的要求。面对新的更高的业务需求，亟需解决地面气象观测装备保障的标准化、自动化问题。

1 主要功能

省级气象观测设备测试维修平台（以下简称维修平台）是为了实现自动气象站、自动土壤水分站、闪电定位仪、能见度仪、称重式降水观测仪等气象观测设备的参数测试、故障诊断、维修保障测试等自动化测试功能的系统。使用时配合测试工装，达到最小可更换单元级的调试、维修能力，协助保障人员排除气象观测设备疑难故障。最大限度地提高观测设备的测试自动化程度，从而通过业务操作流程的合理规划及系统功能设计，实现各类设备的维修流程标准化。

2 系统组成

省级气象观测设备测试维修平台包括硬件和软件两部分。硬件部分包括PXI系统、信号模拟源及采集通讯系统、工装接口板。软件部分主要通过与硬件测试平台及虚拟仪器相连接，实现对地面气象观测设备的故障检测、测试分析、维修向导等功能。

（1）硬件部分的核心是PXI系统，使用支持PXI总线的高性能嵌入式控制器，采用支持PXI接口的可编程电源、数字万用表、数字示波器。

（2）定制模拟信号源及采集通讯系统：模拟信号包括各型号自动气象站各要素、土壤水分站、能见度仪、称重式降水观测仪等所有地面观测设备的传感器信号及采集器线路板测试时的板卡信号。

采集通讯系统用于采集被测试传感器（所有地面观测设备的传感器）输出值、为各类地面观测设备采集器或采集单元命令测试及性能分析测试提供通讯通道。

（3）定制测试工装接口集成板：用于板级测试时输入、输出信号的归集，避免多路信号电缆对被测试板的缠绕。

（4）软件部分。主控软件安装在PXI系统中，通过配置标准信号源，输出各种传感器模拟信号接入待测采集器，采集器输出数据接入PXI系统，主控软件将信号源和待测采集器输出的数据进行定时的采集、对比，根据两者之间的误差从而给出待测采集器某一通道是否故障的判断;将待测传感器接入采集板（器），通过主控软件控制采集板进行信号采集，采集板（器）将待测传感器的数据和预先安装在系统中的标准传感器采集数据进行对比，从而给出待测传感器是否存在故障的结论;测试完成后可以根据测试报告中的故障描述在专家经验库中进行检索，从而找到最有可能的故障原因。

3 系统硬件设计

系统采用模块化结构设计，根据功能设计为办公区、维修区和测试区三个功能分区，另外设计一个可以移动的小车用于摆放被测件，方便被测件在各个功能区域之间的传递。测试区是系统的主体，模拟源、采集板、PXI系统等都在这一部分;维修区可以摆放维修过程中需要的各种工具，如维修台灯、工具箱、焊台等;办公区可以根据需要摆放电脑、打印机等办公设备，方便维修报告的打印和信息交互。这样设计能最大限度的将测试维修工作所需的设备、工具摆放的位置人为分离，避免桌面的混乱。

3.1 信号源和采集板（器）的设计

定制模拟信号源及采集通讯系统：模拟信号包括各型号自动气象站各要素、土壤水分、能见度仪、称重式降水等所有地面观测设备的传感器信号及采集器线路板测试时的板卡信号，其中温度要求十路并行输出，各路輸出信号的精度要求远远高于目前新型自动气象站的精度要求。采集通讯系统主要实现对以上模拟信号的采集、显示等功能。因此需要定制模拟信号源及采集通讯系统。

3.2 工装接口板的设计

工装接口板用于板级测试时输入、输出信号的归集，避免多路信号电缆对被测试板的缠绕。厂家定制各种采集器配套使用的工装转接板，信号源和转接板通过排线进行连接，通过更换不同类型采集器的转接板实现不同采集器和信号源的连接。最大限度减少测试人员的工作量，避免接线不正确可能会带来的各种问题。在转接板内部是一个集成各种信号的电路板，可以受触摸屏和主控软件的直接控制来输出信号。用户测试不同的采集器只需要直接更换工装接口板，无需关注接口定义等细节问题。操作简单，适合各种层次的测试人员测试。

4 系统软件设计

结合硬件设计，维修平台软件设计了模拟信号源管理、采集通讯系统管理、综合维修测试、性能分析测试、维修指导、维修信息管理、系统管理、帮助文档八个功能模块。

1）模拟源管理：控制信号源各输出通道是否输出、输出值、输出模式（固定值输出、阶梯输出或分段输出等）;可以批量设置各通道;维修测试时可以根据工单号所属仪器类型突出显示所需通道;每次设置完成后以被测试仪器的类别为单位记录保存设置参数，作为下次测试同类设备时的默认设置。

2）采集通讯系统管理：控制采集通讯系统各输入通道是否打开、通讯通道通讯参数，传感器通道采样频率;传感器测试时可以控制多个通道同时采集;可以批量设置各通道;维修测试时可以根据工单号所属仪器类型突出显示所需通道;每次设置完成后以被测试仪器的类别为单位记录保存设置参数，作为下次测试同类设备时的默认设置。

3）综合维修测试：综合维修测试模块完成被维修设备维修测试、故障件的查找等功能。具体包括快速检测功能，查看设备是否存在故障及故障类型，为更深入测试做准备;采集器命令测试功能，采集器在进行线路板级维修之前首先应该检查采集器参数设置是否正常;采集器线路板级测试

功能，检测地面探测设备采集器或采集单元的每一块电路板是否有故障;元件级关键点测试功能，完成具体故障元件的查找。

4）性能分析测试：性能分析测试是为了分析采集器、传感器等设备是否存在故障及是否性能不良（稳定性、准确性等），需要长时间连续观测并分析其性能。

5）维修指导：维修指导主要完成专家库记录的生成、导出、导入、检索等功能。

6）维修信息管理：主要完成设备维修周期内必要信息的登记及管理，包括仪器信息录入、设备维修后的处理、维修报告生成与打印、测试记录查询等功能。

7）系统管理：系统管理主要完成平台软件安装后的初始化设置，包括用户权限管理、设备信息管理、单位信息管理、日志管理、系统对时功能。

8）帮助：帮助模块为HTML帮助文件，提供中文帮助主题检索，具体包括PXI示波器手册、PXI程控模拟开关手册、数字万用表手册、模拟源使用手册、采集通讯系统使用手册、业务流程操作手册。

5 系统的先进性与创新性

5.1 基于虚拟仪器技术的集成式气象观测设备测试维修平台

系统采用基于Labview语言的PXI系统为核心，集成了采用触摸屏操作的标准信号源和采集系统，实现了自动气象站、土壤水分站、闪电定位仪、能见度仪、称重式降水等多种气象观测设备的测试维修。

5.2 工装接口板的设计实现

工装接口板能实现各种采集器的维修测试，接口板使用相同的底层电路板和外壳，配备不同的信号电缆和插头，实现信号源到待测采集器的快速接入。

5.3 专家经验库设计与实现

专家经验库设计为两个结构完全相同的表构成，两个表的功能完全相同，唯一的区别是对用户的开放程度不同。其中一个是厂家标配，出厂时已经输入了若干经过整理的案例号，用户只能查看不能修改;另一个专家经验表是由用户根据自己已经掌握的知识来进行添加，管理员权限的用户有权利对其进行增补和修改，从而实现了经验的不断增长。

6 小结

目前省级测试维修平台已经通过中国气象局组织的业务验收并投入使用，省级测试维修平台的建立有效提高了省级气象装备维修保障能力，借助维修平台可对自动气象站等气象观测设备更换下的采集器、传感器、故障组件及模块进行故障诊断和维修，达到降低维修成本、节省维修时间的目的。

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作者简介：刘 峰（1981），男，硕士，工程师，主要从事气象装备保障技术研究与应用。