王 瑋

（廣西氣象技術(shù)裝備中心，廣西 南寧 530022）

1 引言

隨著氣象自動化的不斷發(fā)展，許多之前需要人工觀測的項目都逐漸開始進(jìn)入儀器自動觀測時代［1-2］。而隨著自動觀測觀測儀器的增多，原有的通訊方式暴露出了線路雜亂、串口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、可靠性低等許多問題［3］，無論是觀測人員開展觀測業(yè)務(wù)，還是技術(shù)保障人員對設(shè)備進(jìn)行保障，之前落后的通訊方式都帶來諸多不便，已經(jīng)不能夠滿足氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)發(fā)展的要求［4］。

目前，多路串口信號集成傳輸已經(jīng)在電力［5］、通信［6］、計量［7］等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。 新型自動氣象站已經(jīng)開始引入綜合集成硬件控制器進(jìn)行報文的通信傳輸，將主采集器、能見度觀測儀、降水天氣現(xiàn)象儀等采集設(shè)備的串口信號進(jìn)行集成，并轉(zhuǎn)化為光信號進(jìn)行傳輸［8］。這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一傳輸?shù)姆绞?，能夠有效提高傳輸效率和傳輸穩(wěn)定性，為更多的氣象自動觀測設(shè)備投入業(yè)務(wù)使用提供條件［9］。

2 綜合集成硬件控制器基本組成

綜合集成硬件控制器硬件部分由安裝在室外觀測場的控制器主體部分和在室內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊組成，它們之間通過光纖連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。觀測場主體部分包括串口接入模塊、通訊核心模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊。綜合集成硬件控制器軟件包括驅(qū)動軟件、虛擬串口和服務(wù)三個部分。

2.1 硬件部分

2.1.1 串口接入模塊

串口接入模塊一頭為5口端子，用于連接觀測設(shè)備的串口通訊線，另一頭為DB9母口插頭，連接控制器核心部分。串口接入模塊為可插拔設(shè)計，方便更換。5口端子支持RS232/RS485通訊方式，模塊有浪涌保護(hù)和光電隔離功能。

2.1.2 通訊核心模塊

通訊核心模塊具有將多路串口信號轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)信號、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲等功能。進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，模塊通過RJ45網(wǎng)絡(luò)口輸出以太網(wǎng)信號。

2.1.3 室外光電轉(zhuǎn)換模塊及室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊

室外光電轉(zhuǎn)換模塊和室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊都是由三個RJ45接口和一組光纖收發(fā)接口組成，控制器主體的以太網(wǎng)RJ45接口和光電轉(zhuǎn)換模塊RJ45接口之間通過短網(wǎng)線連接，再通過光纖接口接入光纖，進(jìn)行長距離傳輸，從觀測場進(jìn)入室內(nèi)，再通過以太網(wǎng)RJ45接口用網(wǎng)線接入交換機。

2.1.4 電源

綜合集成硬件控制器采用220V交流轉(zhuǎn)12V直流方式供電，備有12V38Ah蓄電池，保證在交流斷電情況下工作24h以上。室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊通過12V直流電源適配器進(jìn)行供電。

2.2 軟件部分

綜合集成硬件控制器需要在計算機上安裝驅(qū)動程序，同時在計算機上映射8個虛擬串口，驅(qū)動程序可以設(shè)置串口配置、網(wǎng)絡(luò)配置、傳輸方式、用戶名及密碼等內(nèi)容，來對綜合集成硬件控制器多路串口進(jìn)行管理。

驅(qū)動程序安裝時，還需要安裝兩個服務(wù)，“comtonet”實現(xiàn)計算機虛擬串口向綜合集成硬件控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，“nettocom”實現(xiàn)綜合集成硬件控制器向計算機虛擬串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 數(shù)據(jù)信號在綜合集成硬件控制器線路中的傳輸

3.1 串口接入綜合集成硬件控制器

圖1 數(shù)據(jù)傳輸時信號變化示意圖

數(shù)據(jù)通過RS232/RS485方式接入到串口接入模塊5口端子中。RS232方式為3線接入，TX接入第3口、RX接入第5口，GND接入第1口；RS485為2線接入，485＋接入第5口，485-接入第4口。串口接入模塊另一頭DB9接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合集成硬件控制器內(nèi)。

表1 接入模塊5口端子意義

3.2 串口信號轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號

綜合集成硬件控制器接收來自串口的指定格式的數(shù)據(jù)，將串口信號轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號，再通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳輸。綜合集成硬件控制器本身需要分配一個ip地址，該地址與計算機ip地址在同一網(wǎng)段進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)格式后，可以直接在RJ45網(wǎng)口接入網(wǎng)線讀取數(shù)據(jù)。

3.3 以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)光信號及室內(nèi)部分

以太網(wǎng)信號通過一根短網(wǎng)線接入硬件控制器主體光電轉(zhuǎn)換模塊任一個RJ45接口中，轉(zhuǎn)化為光信號，通過光纖將數(shù)據(jù)傳到室內(nèi)，再通過室內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，通過網(wǎng)線接入到室內(nèi)交換機內(nèi)，通過在計算機中設(shè)置虛擬串口和“comtonet”、“nettocom”服務(wù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)電腦中。

4 DZZ5型自動站使用綜合集成硬件控制器通訊與使用直連通訊的對比

圖2 DZZ5新型自動站布局（串口直連通訊）

DZZ5型新型自動氣象站采用直連通訊方式時，各種氣象要素通過RS232/485串口方式接入主采集器，分采集器（包括溫度分采集器、地溫分采集器和輻射分采集器等）通過現(xiàn)場總線CAN方式接入主采集器［10］；主采集器通過RS232串口線從觀測場直接傳輸?shù)绞覂?nèi)，接入業(yè)務(wù)用計算機。此時，主采集器連入電腦的串口通訊線兩側(cè)都需安裝串口隔離器，以防止浪涌。

這種主采集器與業(yè)務(wù)電腦直連的方式結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)和排查故障，但是傳輸距離短，穩(wěn)定性不強，通訊易受干擾，且大量占用主采集器資源，在更多的自動觀測設(shè)備投入業(yè)務(wù)運行時無法滿足多串口同時通訊的要求。

圖3 DZZ5新型自動站布局（采用綜合集成硬件控制器）

當(dāng)DZZ5采用綜合集成硬件控制器方式進(jìn)行通訊時，主采集器、能見度觀測儀、降水天氣現(xiàn)象儀、輻射分采集器通過串口通訊線接入綜合集成硬件控制器串口接口，將串口信號轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)信號，再通過RJ45接口，將以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)為光信號，通過光纖從觀測場傳到室內(nèi)，再將光信號通過室內(nèi)光電轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，通過交換機，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)用計算機中。串口通訊線無需安裝串口隔離器。

這種采用光纖通訊的方式將綜合集成硬件控制器作為通訊的核心部件，有效地增加了傳輸距離，提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性，具有防浪涌和電磁干擾的功能，同時也能夠滿足更多的自動觀測設(shè)備同時進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸。另一方面，如果綜合集成硬件控制器出現(xiàn)故障，那么所有的數(shù)據(jù)通訊將會中斷。因此，這種通訊方式對綜合集成硬件控制器的穩(wěn)定性有比較高的要求，同時需要有備用通訊方案。

5 綜合集成硬件控制器常見故障維護(hù)

5.1 綜合集成硬件控制器指示燈異常

若綜合集成硬件控制器面板指示燈PWR1和PWR2無法同時常亮，說明供電出現(xiàn)問題，需檢查供電；若光電轉(zhuǎn)換模塊指示燈不亮，說明光纖通訊不正常，應(yīng)檢查光纖是否完好，RX/TX光纖連接是否正確，有否接反；若L1指示燈未秒閃，說明控制器核心部分未能啟動，此時需斷電重啟綜合集成硬件控制器，若仍未解決，說明核心部分損壞，需更換綜合集成硬件控制器。

5.2 計算機無法連接至綜合集成硬件控制器

若在業(yè)務(wù)軟件中出現(xiàn)串口通信失敗，首先檢查是否接在綜合集成硬件控制器上的所有設(shè)備數(shù)據(jù)全部缺測，若數(shù)據(jù)全部缺測，則初步判定是通訊部分出現(xiàn)故障。

在計算機上ping綜合集成硬件控制器ip地址，若可以ping通，則從計算機到綜合集成硬件控制器的線路正常，此時應(yīng)退出業(yè)務(wù)軟件，使用串口調(diào)試助手向缺測部件發(fā)送命令讀取數(shù)據(jù)，若有數(shù)據(jù)，說明業(yè)務(wù)軟件故障。若無數(shù)據(jù)，檢查驅(qū)動軟件和業(yè)務(wù)軟件的串口設(shè)置是否正確。同時還需要檢查計算機服務(wù)的運行情況，當(dāng)都裝有“comtonet”“nettocom”的兩臺以上計算機接入交換機時，綜合集成硬件控制器將無法進(jìn)行通訊。此時必須禁用業(yè)務(wù)計算機以外的其他計算機上的服務(wù)，或者斷開其他裝有服務(wù)的計算機。

若在計算機上無法ping通綜合集成硬件控制器，檢查計算機網(wǎng)卡以及網(wǎng)線是否出現(xiàn)故障，若均正常，檢查光纖和光電轉(zhuǎn)換模塊是否正常。

5.3 部分?jǐn)?shù)據(jù)缺測

若業(yè)務(wù)軟件中只有主采集器數(shù)據(jù)缺測，能見度儀、降水天氣現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)正常，則初步判定計算機到綜合集成硬件控制器通訊部分正常。此時，應(yīng)用一根短線將對應(yīng)串口接入模塊第3口和第5口接起來，發(fā)命令檢查串口接入模塊收發(fā)是否正常。

6 結(jié)語

目前，綜合集成硬件控制器已經(jīng)在廣西各地的DZZ5型自動氣象站上投入業(yè)務(wù)使用。多串口集成傳輸?shù)氖褂茫瑸楦嗟淖詣佑^測設(shè)備投入運行提供通訊條件。同時，相較于之前使用串口通訊線直接進(jìn)行通訊的方式而言，使用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸要更為穩(wěn)定，符合未來的發(fā)展方向。另一方面，使用綜合集成硬件控制器后，其運行的穩(wěn)定性對業(yè)務(wù)質(zhì)量影響較大，備用的通訊手段和保障人員的維修能力十分重要，以綜合集成硬件控制器為核心的通訊方式依然有發(fā)展和改進(jìn)的空間。

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