DPZ2型综合集成硬件控制器的应用要点及常见故障处理

唐辉亮 许杰文 吴昱珊

(1.福建省三明市气象局,福建 三明 353000;2.福建省大田县气象局,福建 三明 366100)

0 引言

随着科技的进步与气象业务的发展,越来越多新型观测设备在国家地面气象观测站投入运行。为实现多种气象装备之间的统一控制与数据收集,解决设备种类繁多、通讯方式多样、扩展性低等一系列问题,综合硬件控制器逐渐被广泛应用到气象观测业务中。DPZ2型综合集成硬件控制器(以下简称DPZ2)是目前福建省气象观测业务中最新型号综合集成硬件控制器。相较DPZ1型综合集成硬件控制器,其在集成的多串口通信、设备管理和光电转换等功能上有多项升级改进,能更好地满足了目前业务发展的要求。作为国家地面气象观测站气象数据集成传输的关键设备,DPZ2是否稳定运行直接关系到台站气象设备数据的正常采集、传输与处理。因此,对DPZ2应用细节及常见问题进行分析总结具有现实意义,可为各台站保障人员对设备进行维护、维修提供参考,保障气象数据采集工作顺利开展。

1 DPZ2功能与结构

1.1 功能

DPZ2是一种用于扩展串行设备和网络通信应用的设备,其集成多串口通信、信号转换、磁耦隔离和光电转换等功能,可使用光纤、网线将采用不同通信方式的多个设备数据进行远距离传输,并在安装后通过局域网访问现有串口设备,实现对各类串口设备的数据集成传输、设备统一调试等功能[1]。DPZ2的应用能够帮助气象站减少观测场布线,提高地面气象综合观测系统的集成化程度、可扩展性、稳定性、可靠性和观测数据的利用效率。

1.2 结构

DPZ2由通信控制模块、光电转换模块、供电单元等组成,具体如图1所示。

图1 DPZ2结构示意图

通信控制模块是DPZ2的主体,主要实现数据集成收发、设备统一控制等功能;光电转换模块起信号转换作用,可实现电信号和光纤信号之间的转换;DPZ2供电单元与观测站中主采集器供电单元相同,主要通过电源转换模块将220V市电转换成12V直流供电。

2 DPZ2安装与配置要点

2.1 硬件连接

2.1.1 硬件接口示意图

DPZ2拥有多种类型的硬件接口,其主要硬件接口集中设计在通信控制模块的上下两面,如图2所示。

图2 硬件接口示意图

2.1.2 连接电源

将供电单元的12V供电线路以PIN1-负极、PIN3-正极为顺序连接至通信控制模块的供电串口。电源正常接通时,“Power”指示灯保持常亮,系统正常进入工作状态之后,“Ready”指示灯保持闪烁。

2.1.3 连接网络线路

2.1.3.1 光纤连接

实际业务中,通信控制模块与光电转换模块多采用光纤连接能有效减少雷击等对设备的损害,增加抗干扰能力。各观测设备的数据(电信号)经通信控制模块转换为光信号,通过光纤发往室内光电转换模块转换为电信号进行应用。光纤连接时,应分别将通信控制模块光纤接口的TX1(左)、RX1(右)连接至光电转换模块的RX、TX接口。这是因为RX为数据接收端口,TX为数据发送端口,光纤通路两端接口应成收发对应关系。

2.1.3.2 网线连接

网线连接多在光电转换模块与业务电脑之间使用,主要分为4种方案,如图3所示。方案一是光电转换模块输出端接入交换机实现业务连接,该方案利用了办公场所原有交换机设备与布线工程,各地线路数量与维护状况差异较大,但业务电脑出现故障时,只需要更改备用业务电脑的网络设置即可快速重启观测业务传输;方案二是直接利用光电转换模块网口的交换功能,分别将内网与业务电脑连接至光电转换模块网口。该方案线路相对独立,易于维护,但切换业务电脑时需将线路一起切换;方案三是使用双网卡实现设备互联,特点是内网与DPZ2传输各自独立连接不同网卡后,一同连接至业务电脑。此方法保证了DPZ2的传输独占一路网卡带宽资源,但网络连接与设置较为复杂[2];方案四是利用网线直接将业务电脑与通信控制模块的网口相连,该直连方案无中间网络设备,连接简单,但抗干扰能力差,适用于DPZ2与挂接设备的故障调试。

图3 DPZ2网络线路连接方案示意图

DPZ2网络正常接通之后,通信控制模块“Link/Act”指示灯闪烁。值得注意的是,通信控制模块的4个网口也具有交换功能,必要时可作为观测场临时内网接入设备。

2.1.4 串口连接

DPZ2的16个串口安装有磁耦隔离器,隔离了电连接,可抑制干扰和浪涌。串口支持RS-232/422/485三种通信方式,安装时可根据观测设备通信方式进行选择,并通过调整串口数据线的接线端子线序实现RS-232/422/485通讯方式之间的切换,详细接口管脚信号定义如表1所示[3]。

表1 串口各端口定义表

2.2 软件安装与通讯连接

2.2.1 驱动安装

DPZ2驱动程序是计算机软件与DPZ2设备实现通信的必要程序,只有DPZ2驱动程序正确安装后,业务人员才可通过其附带的桌面管理软件(以下简称桌面端)或网页配置端(以下简称Web端)实现搜索设备、配置参数、虚拟串口管理、升级固件等管理功能。

2.2.2 设备识别

DPZ2默认通讯IP 地址为 192.168.1.1,需将业务电脑IP地址改为同一网段,业务电脑才可正常识别DPZ2。如使用默认IP不能正常识别设备,可通过桌面端广播搜索在线设备并显示其IP。需注意的是,桌面端的修改IP地址功能修改了DPZ2登录识别IP地址,设备实际IP地址没有变化。如需修改实际设备IP地址,则应登录系统配置界面,在网络设置中进行修改。

2.2.3 串口映射

串口映射功能将DPZ2提供的1-16串行端口映射至Windows 系统的 COM 通信端口,以实现业务电脑对串口数据的读取。串口映射功能需登录桌面端,程序将自动搜索在线且可设置的设备或串口,并列出1-16串行端口信息,右键点击任一串口信息,可独立对任意串口对应的COM 通信端口号与IP地址进行单独设置。需注意的是,如果执行删除COM 端操作,COM 端口处于打开状态时, COM 端口将不能被立即删除,系统将在下次重新启动的时候自动删除该 COM 端口[1]。此外,更改DPZ2设备IP地址后,应关闭业务软件后重新进行串口映射,否则设备将不能正常读取数据,影响业务运行。

2.3 常见参数配置与重要功能介绍

2.3.1 配置界面登录

2.3.2 网络设置

DPZ2的网络设置主要包含IP设置、Zigbee波特率配置、RTC时间设置、重启设置、NTP服务设置等,以IP设置最为关键。IP设置时,可将DPZ2设备IP设置为内网IP段,或保留DPZ2原有默认IP段(192.168.1.0)。

若连接方式采用方案一和方案二。因交换机的功能,无论DPZ2设备IP设置为内网IP段还是默认IP段,在设置完成后,内网中所有与DPZ2拥有相同IP段的电脑都可访问并设置DPZ2。不同的是,采用内网IP地址时需规范IP地址管理,以防止发生IP冲突而导致DPZ2网络异常。使用默认IP地址时,因默认地址与内网IP不同网段,业务电脑需保留现有IP地址的基础上增加默认IP地址。操作步骤如下:本地连接→右键→属性→INTERNET协议4(TCP/IPv4)→属性→高级→IP设置→添加。按需填写后,即可完成多个IP的设置[4]。

若连接方式采用方案三,两张网卡IP地址与各自所连网络或设备的IP地址需处于相同网段,设置完成后,除本机外其他电脑不能正常识别与连接DPZ2。除此之外,该方案还可以尝试将两张网卡进行桥接,实现设备之间网络共享。桥接操作如下:进入网络连接,同时选中2个网卡连接→右键→桥接。等待出现网桥图标,网桥可像普通本地连接一样进行配置[5]。需要注意的是,因不同网卡间存在兼容问题,可能导致双网卡配置时出现如桌面端无法正常搜索到识别在线设备、Web端无法正常打开、桥接后某网卡所属网络访问异常等情况。此时,可分别尝试使用指定IP搜索、使用桌面端登录、尝试更换性能与兼容性更好网卡等方法处理。实际业务中,3G报警设备也独立设置了网卡并与业务电脑相连,在IP设置时,应注意检查IP是否与DPZ2冲突。

2.3.3 串口通信设置

串口通信设置功能可对16个串口的通信参数进行单独设置。目前,福建省气象业务观测设备主要使用RS-232与RS-485串口通信,其通信参数为波特率9600、数据位8、停止位1、流量控制无、奇偶校验无,串口工作模式使用默认的实端口模式(Real Port Mode)。

2.3.4 安全设置

安全设置功能可以对Web控制台、Telnet控制台、设备搜索等进行设置,默认情况下各功能都为启动状态。其中,Web控制台、Telnet控制台如关闭将不能登录Web端,设备搜索关闭后桌面端将不能自动搜索到在线DPZ2。

尽量不吸烟，少饮酒，少喝浓茶、咖啡等，少食辛辣食物。有过敏反应体质的人，应尽量少吃或不吃富含异体蛋白质的食物（如鱼、虾、螃蟹、蛋、牛奶等），以免引发或加重瘙痒。可适量补充植物油脂、维生素C、维生素B及维生素E等。多喝开水，也是对皮肤的恩泽。

2.3.5 状态监测

状态监测功能对DPZ2的16个串口得到的网络连接状态、串行通信状态、串口通信参数进行监测,并以列表的形式详细显示了16个串口的IP地址、连接情况、串口数据收发细节、串口通信参数等内容。

2.3.6 重启与单串口重启

重启功能可以对DPZ2进行不断电的软重启,以解决一部分内部程序卡死问题。串口重启功能可实现针对16个串口的单个串口重启,重启时不影响其他串口的正常使用。需要注意的是,重启端口操作会中断对应串口的通信和以太网连接,未传输完毕的数据存在丢失风险。

3 DPZ2常见故障分析与处理

3.1 硬件故障

3.1.1 电源故障

通信控制模块使用DC9-15V电源,日常平均功耗10W。当发生电源故障时,DPZ2的所有状态灯不亮,且电源串口PIN1与PIN3之间直流电压小于9V或大于15V。故障处理应逐级检查市电空开输入输出、整流器输入输出、电池输入输出、刀片开关输入输出和串口端子接线,以确定故障点,完成维修或硬件更换。光电转换模块电源因在室内,其故障排除重点检查其供电串口PIN1(2)与PIN4(3)之间直流电压是否为12V。

3.1.2 线路故障排除

①串口连接线路故障。其主要为线路虚接与断路,出现故障时,相应通信控制模块的串口发送状态指示灯TX1-TX16、串口接收状态指示灯RX1-RX16长灭。首先,应排除端子虚接,可尝试重新连接端子,特别注意线材胶皮部分不应插入端子过深,以防端子螺丝固定在胶片处导致断路;其次,使用万用表蜂鸣档检查端子各接线口之间是否存在短路情况。任意两个接线口使用万用表测量,若蜂鸣则端子存在短路,需更换端子;最后,检查线路断路情况,可采用短接法进行排查。将线缆中的子线一端两两短接后,使用蜂鸣档测量短接子线另一端通断情况,蜂鸣表示通路,即2根子线正常,无蜂鸣则表明2根子线某处断路[6]。

②光线路故障。其主要由于缆被过度弯折挤压、虫鼠啃咬导致光路受阻或中断,出现故障时,通信控制模块的光纤连接状态指示灯LNK7/8、网络收发状态指示灯Link/Act及光电转换模块的光纤连接指示灯Link不亮。检查时,可用红激光笔对准光纤一端,如另一端有明亮的红激光射出则光纤正常[7],如光纤其他明线部位出现红色激光,则该部位内部光纤中断或受阻,无备份线路时,可邀请专业人员熔接配合完成故障维修。业务用光纤有备份光纤线缆,可在故障时尝试切换,如切换后仍异常,需整体更换光纤。

③网线线路故障。其主要表现为接口虚接、水晶头老化、断路,故障时相对应的通信控制模块网络连接指示灯LNK1-4、网口10/100M 速度指示灯SPD1-4与光电转换模块网口10/100M 速度指示灯SPD、双工状态指示灯FDX不亮或异常。其中,通信控制模块与光电转换模块网口SPD指示灯不亮或红色,表明无传输或传输速度未达到100Mbps。故障处理时,可将网线拔下检查水晶头的铜触点是否光亮,发黑则氧化严重,应重新制作水晶头或更换网线。如网络仍不正常,可使用网线对线器查看网线8芯子线通信情况,以判断网线是否虚接或断路。正常为网线对线器指示灯按顺序依次点亮,不亮或乱序为异常。异常时,应先尝试重新制作水晶头,如依旧异常则更换网线。

3.1.3 DPZ2单接口故障

因DPZ2主要接口都具有双备份,各接口单独故障时,可观察DPZ2相应指示灯是否状态正常,并可将线路转接至其余备份接口以确定,接口故障时应返厂维修。对于串口故障,还可使用短接串口的方式确认,将串口PIN1 、PIN2短接,并使用串口调试软件对串口发送数据,如串口收发正常将返回所发送数据[8]。此外,可测量串口PIN1 、PIN2供电电压,正常为4～5V。ST光纤接口的故障确认方法与串口类似,区别为需使用光纤短接RX与TX接口后测试命令。

3.1.4 通信控制模块设备故障

通信控制模块故障多表现为确认线路正常后,其全部指示灯全不亮或全常亮,正常连接、使用USB连接或网线直连都无法连接访问DPZ2。故障发生后应第一时间检查通信控制模块输入电压是否正常,若排除电源故障,应返厂维修。通信控制模块运行正常时,电源指示灯POWER为常亮,系统状态指示灯RUN以1HZ频率闪烁,若出现指示灯RUN状态异常,考虑为硬件死机,可在非整点时间尝试断电重启。

3.1.5 光电转换模块故障

若线缆连接正常、供电检查无误时,光电转换模块出现指示灯全部不亮或全部异常闪烁,多为光电转换模块故障。可直接采用网线直连DPZ2或更换光电转换模块,若数据正常接收,则为光电转换模块异常,应更换设备。应急处置时,可尝试购买采用相同技术指标且类型相同的ST双纤单模(或多模)光纤收发器临时代替。

3.1.6 DPZ2指示灯状态

DPZ2的通信控制模块与光电转换模块都带有多种状态指示灯,这些指示灯能够很好地指示系统当前的运行状态。光电转换模块面板指示灯可参照前文线路故障排除中的介绍,此外,其标识有SPD、FDX的指示灯为TX1网口对应的状态指示灯,下方无标识的指示灯为TX2网口对应的状态指示灯。

3.2 软件故障

3.2.1 IP地址错误或冲突

当网络线路与设备指示灯正常,突然出现业务电脑与DPZ2出现网络异常或不稳定,而其他电脑内网正常,应第一时间检查业务电脑与DPZ2设备IP,确保与连接的网卡IP段相同,同一个局域网内不出现相同IP的设备。若IP设置正常,则应排查IP冲突故障,可关闭业务电脑或DPZ2,使用其他电脑在CMD命令窗口中使用“ping x.x.x.x-t”命令持续查看业务电脑或DPZ2设备的IP是否被ping通,若ping通则存在IP冲突。此时,应将冲突的IP改为其他可用的同网段IP。

3.2.2 串口COM号被占用

串口COM号被占用表现为串口映射时串口无法完整选择COM1-COM16端口号。若为其他程序占用,可卸载占用程序后,通过注册表来更改COM端口号被占用状态。在开始→运行中输入“regedit”进入注册表;进入HKEY_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Control/COM Name Arbiter;找到数值项ComDB后删除,删除此项是让系统重新构建COM端口列表;关闭注册表,重新进行串口映射[9]。若为DPZ2驱动程序本身占用了相关COM端口号,可对DPZ2设备虚拟端口号进行修改,在控制面板→设备管理→端口(COM和LPT)→通信端口(在用端口号)→端口设置→高级→COM端口号→下拉表格中选择其他COM端口号→确定保存。

3.2.3 串口参数错误

业务软件最终通过虚拟COM端口对DPZ2进行通信,如桌面端、Web端能够访问DPZ2且排除观测设备故障,但业务软件无法读取气象数据时,多为串口参数故障。排除故障时,应首先通过桌面端检查串口映射是否正常,各串口映射的IP与DPZ2设备IP是否相同;其次,确认观测设备所连串口、该串口所映射的COM端口号、业务软件挂接项目选择的COM 端口号是否对应;最后,检查业务软件挂接项目配置的串口通信方式、波特率、数据位等通信参数与DPZ2中对应串口的串口通信参数是否一致,是否与观测设备通信要求匹配。

3.2.4 驱动程序异常

驱动程序异常时,业务电脑能够ping通DPZ2设备IP,但无法正常连接与配置DPZ2。故障排查应查看系统进程与系统服务中是否有名为NComDaemon的进程与本地服务,如进程缺少此项,则驱动异常,需重新安装。当NComDaemon进程与本地服务存在,可先查看任务管理器中此进程是否占用了大量系统资源,占用较大则表明驱动卡死,应强制结束进程并重启电脑。若进程正常,通过电脑管理工具查看服务状态是否为自动,若不是,则应改为自动状态并重启电脑。

3.2.5 DPZ2死机与无法登陆

如DPZ2指示灯正常,且排除其他故障,但所有气象数据接收中断或不稳定,则DPZ2出现死机现象。此时可先尝试使用桌面端或Web端内的重启设备功能,进行软重启。当软重启无效时,使用通信控制模块RST(RESTORE)按键的强制重启功能。短按RST按键后松开,等待RUN指示灯灭后,20秒左右重新开始闪烁,此时说明系统重启正常。此外,若遗忘DPZ2的登录密码,因错误配置等其他原因导致系统不可访问,可通过RST按键进行恢复出厂设置。操作时按下RST按键5秒以上,直到RUN指示灯闪烁后松开,此时网络连接等指示灯会保持原来常亮或者常灭的状态,20秒左右RUN开始闪烁,说明恢复成功[1]。

4 结束语

国家地面气象站承担着国家气象观测任务,是现代气象业务重要数据支撑,保障其观测系统的稳定运行是气象预报预警业务做到监测精密、预报精准、服务精细的基本要求。作为观测系统内传输气象数据的关键设备,DPZ2的错误配置与故障都将严重阻碍气象数据的稳定采集,直接影响气象预报预警业务的及时有效开展。在日常工作中,维护人员要密切监测DPZ2软硬件的运行状况,加强备件储备与异常数据的分析处理,掌握安装与故障排除方法,以高效处理DPZ2可能出现的各类问题,确保DPZ2长期处于良好工作状态。