地面气象观测设备维修测试平台设计

摘 要：随着气象观测设备自动化的成熟与普及，观测设备得到及时、正确的维修检测和保障成为当前的主要工作之一。地面气象观测设备维修测试平台的开发，实现了对主要地面气象观测设备的故障诊断、维修保障和性能测试，包括自动气象站、自动土壤水分站等。结合万用表等通用设备对被测采集器接口板及主板的元件级关键点进行测试，完成电路板具体故障的查找，从而分析采集器、传感器等存在的故障。介绍了地面气象观测设备的组成，分析了地面气象观测设备维修测试平台结构，探讨了平台硬件设计和平台软件设计。

关键词：自动气象站；传感器；维修

中图分类号：P414 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

福建省地处中国东南沿海地区，常遭受暴雨、台风等气象灾害的侵袭，自动地面气象观测设备是不间断监测灾害性天气最快速、直接的手段。经过多年的发展，当地气象监测能力有了明显进步。随着质量管理体系工作的不断深入，气象部门的自动地面气象观测设备数据质量按月、年考核，实行通报制度，并纳入气象部门常规目标考核，对各级气象部门设备保障工作提出了更高的要求，相对应的设备维修与测试等工作也需要更加精细化[1-2]。随着地面气象观测站网规模的扩大、设备使用年限的增加，气象设备出现的故障也越来越多。因此，建立高效、智能的地面气象观测设备维修测试平台显得尤为重要。地面气象观测设备维修测试平台的开发，不仅可以检测传感器和采集器的故障情况，还可以根据国内地面观测设备的实际运行情况和维修保障经验来调整系统的性能，帮助公众更好地了解气象观测设备的故障特征，为自动观测设备提供更加准确的故障检测服务[3]。

1 地面气象观测设备的组成

地面气象观测设备的核心部件是采集器和传感器，与电源、通信设备等附属设备组成完整系统。采集器和传感器的故障数在整个地面气象观测设备的占比较高，电源部分通常为成本较低的通用设备，维修意义较小，通信部分设备的电子集成度较高，维修难度大，因此测试维修平台主要考虑采集器和传感器的测试与诊断维修，其他附属设备则主要考虑采用万用表等工具进行简单测试[4]。

采集器主要负责接收各种传感器传输的信号，通过处理并按照一定的格式形成数据，进而将数据传递至控制系统。要检验采集器是否运作正常，必须配备带有标准信号源的要素信号生成系统，标准信号源能够模拟各种传感器的信号输出，并接入需检查的采集器，通过将采集器的输出数据与标准信号源的数据相对比，比较两者以确认采集器是否存在异常。传感器的测试主要通过对比的方式进行，设计一个传感器要素信号接收系统，用来接收被测传感器的信号，并与平台上的标准传感器信号进行比对，根据两者信号的偏差判断被测传感器是否正常。地面气象观测设备维修测试平台作为检测工具，兼具实用性、通用性和可扩展性[5-6]。

2 地面气象观测设备维修测试平台的结构

地面气象观测设备维修测试平台主要包括平台硬件和平台软件。地面气象观测设备维修测试平台硬件部分主要包括自动气象站要素信号生成系统、自动气象站要素信号接收系统的综合维修测试系统，结合可调电源、电焊台、万用表、示波器和个人电脑等模块化通用设备，加上平台软件部分，可实现地面气象观测设备的综合维修测试和性能分析工作，包括传感器测试、采集器测试和地面气象观测设备电路板关键点测试。地面气象观测设备测试维修平台组成结构图（图1）。

3 平台硬件设计

作为软件部分实现功能的基础，平台硬件部分主要功能是产生和采集信号，通过对现代电子技术的深入应用，借鉴现有地面气象观测设备的业务运行经验，在分析地面气象观测设备故障特点及分布规律的前提下，采用先进的电子测量与信号处理技术，能够较为完备地涵盖现阶段地面气象探测业务中所使用的采集器和传感器，适用于地面自动气象设备的故障诊断和维修工作[7]。地面气象观测设备维修测试平台硬件部分主要分为自动气象站要素信号生成系统和自动气象站要素信号接收系统2个部分，其接口面板提供了丰富的传感器和采集器通信接口。

3.1 自动气象站要素信号生成系统

自动气象站要素信号生成系统模拟各种常用型号的自动站传感器信号，用于自动气象站采集器要素的标校，保证自动气象站采集器通道的正常及测量值的准确性。自动气象站要素信号生成系统具体包括温度传感器信号模拟、湿度传感器信号模拟和翻斗雨量传感器信号模拟模块；风速传感器信号模拟模块，覆盖主流的EL15-1C、EL15-1A、EZC-1和ZQZ-TF共4种型号；风向传感器信号模拟模块，支持EL15-2C、EL15-2D、EZC-1和ZQZ-TF共4种型号；气压传感器信号模拟模块，提供HYPTB210、PTB220、WUSH-TP300、PTB330和DYC1共5种气压型号的7种模式选项；能见度传感器信号模拟模块，支持HY-V35、DNQ2、DNQ3和PWD系列型号；其他传感器信号模拟模块，支持AG2.0和WUSH-TV2共2种蒸发传感器型号。

3.2 自动气象站要素信号接收系统

地面气象观测设备维修测试平台的自动气象站要素信号接收系统负责完成传感器的快速测试、性能测试等，可设置各种型号自动站传感器的工作模式，采集各种型号自动站传感器的实时测量数据，初步判断各种型号自动站传感器功能的好坏情况。该系统具备与平台信号源相对应的所有气象要素传感器的采集功能，同时也具有与信号源部分功能相同的CAN总线测试功能，通过人机交互界面显示采集到的传感器测量值[8]。

将传感器与平台做好物理连接，其测试数据就会自动显示于平台采集器要素信息显示区。

平台采集器在进行传感器测试时，需要设置传感器多个型号的要素，如风速、能见度、数字气压、土壤水分、称重雨量、蒸发等要素，设置的方法与信号源部分的相应要素设置基本相同，区别在于采集器的设置不可以输入参量值。以气压传感器的采集设置为例，进入主界面系统设置，进入通信参数设置界面，选择对应的通信端口，设置正确的通信参数，完成设置返回主界面。进入主界面的平台气压按钮，进入气压传感器设置页面，选择所对应的气压传感器型号，完成设置返回主界面。

3.3 接口设计

为了提高测量效率，对设备接口进行了特别的设计，既可以收集各种输入信号和输出信号，又可以防止多路信号电缆对被测试板的缠绕。此外，未做封装的镂空结构设计则是可以方便使用示波器和万用表等仪器的探针。信号源和转接板通过一根排线进行连接，转接板的电路集成了各种信号，通过更换不同的转接板可实现不同采集器和信号源的连接，能够通过触摸屏和主控软件实现对外界信号的输出。用户只需要将这个接口板与信号源连接起来，然后插入相应的插头就可以开始测试。通过改变工装接口板，可以轻松地测试各种采集器，而无须担心接口定义的复杂性，避免了接线不正确可能带来的问题，最大限度减少了测试人员的工作量。

4 平台软件设计

平台软件主要由模拟源嵌入式软件系统、采集通信模块软件系统和软件控制系统组成。其中，软件控制系统由设备检测、维修指导、维修信息管理、系统管理和帮助文档等功能模块组成，设备检测模块是核心模块，包括模拟源管理、采集通信管理、综合维修测试和性能分析测试模块等。软件总体功能模块设计如图2。

4.1 模拟源管理

通过使用模拟源管理，能够提供各种不同的测试信号，包括各种型号的传感器信号，如温度、湿度、降雨量、风向、风速、气压和能见度等，以及采集器线路板上的板卡数据。主要实现控制各输出通道是否输出、输出值和输出模式，可以批量设置各通道。系统根据用户选择的采集器类型自动匹配输出端口，准备后端数据格式、初始化系统显示界面、通信参数[9]。

4.2 采集通信管理

通过使用采集通信管理，能够采集各种型号的地面气象传感器信号，并且能够对采集器进行板卡控制和输出数据设置。此外，该模块还能够为各种地面探测设备提供进行性能评估和指令检验的通信通道，包括控制各输入通道是否打开和配置通信参数等方面的操作。

软件设计的传感器测试界面具有快速测试功能，采集通信模块将实时显示当前通信通道参数及传感器通道采样频率，方便用户使用。用户也可以进入通信管理模块设置模拟源、采集板和主控面板的通信，使之能够根据实际情况进行系统配置。在执行传感器测试操作过程中，可以并行控制多个通道汇集数据。通过批量设置各通道，在测试和维修时，依照输入的设备类型展示出所需的通道。在每次测试结束后，可依据测试对象设备的类型记录和存储相关参数，运用“加载设置”或“保存设置”按钮，将这些建档的参数将作为下一次测试相似设备时的预设配置。

4.3 综合维修测试

作为地面气象观测设备维修测试平台的主要功能，综合测试维修模块需要能够与维修平台硬件设施实现有效的交互，实现数据的传输和共享。因此，该设计具有良好的可扩展性，可满足不同型号地面观测设备的接口和扩展需求。

综合维修测试模块主要包括被维修设备维修测试、故障件的查找等功能、采集器状态读取功能和采集器线路板级测试功能。系统软件设计使用万用表和示波器对设备关键点进行测试，完成对电路板具体故障元件的查找。该模块的主要目的是帮助维修人员进行设备维护和故障检测，以确保设备正常运行[10]。

4.4 性能分析测试

性能分析测试模块主要功能是分析采集器和传感器等设备是否存在故障，可以持续监测和评估采集器、传感器等设备的稳定性、准确性等性能，确保被测试设备能够长时间正常运行。进行性能分析测试时，用户可自定义分析测试的时间长短和采样频率，使用万用表和示波器等进行实时测试。同时，用户可以分阶段设置信号源，每个阶段持续的时间长短和每个通道的信号输出都可以进行配置，实时刷新显示每个测试数据的采样值、实时曲线和数据，并根据数据设定阈值进行判定测试数据是否正常、缺测还是超差。

维修指导主要包括维修案例的检索和专家库的相关操作；维修信息管理和系统管理分别负责对维修数据、维修信息的查询和系统用户的控制等。帮助文档则可查阅示波器、万用表等工具文档，方便用户随时调用[11]。

5 结束语

通过地面气象观测设备维修测试平台设计和应用，可以提高地面气象装备的现代化水平，延长气象装备的使用寿命。基层业务人员在使用该平台的过程中，通过理论与操作实践结合，可有效提升气象装备保障技术人员能力。平台的建立进一步完善了地面气象监测网的装备保障环节，可结合市级气象装备保障业务的实际情况，搭配自动气象站计量平台、自动气象站实训平台和气象观测设备运行监控平台，形成市级地面气象装备的全流程保障，从而提供更加可靠的气象监测数据。

参考文献

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[5] 李建宇，周旭辉.基于虚拟仪器的省级气象观测设备测试维修平台[J].福建电脑，2018，34（10）：141-142.

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[11] 郭静，杨超，刘浩.保定市气象装备保障实训平台建设的研究[J].自动化应用，2023，64（17）：213-215.