尚凡葵

（海裝北京局（某局）駐青島地區(qū)（某）軍事代表室，山東 青島 266001）

引言

海洋在人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展中有著至關(guān)重要的地位，對(duì)海洋進(jìn)行詳細(xì)的觀察、了解是海洋資源開(kāi)發(fā)和利用的基礎(chǔ)，并且對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)和利用不僅僅局限在對(duì)海上作業(yè)、海洋商業(yè)等，更重要的是海洋具有非常重要的戰(zhàn)略意義[1]。對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)包括對(duì)海上氣象的預(yù)測(cè)和環(huán)境的監(jiān)測(cè)，船舶氣象儀是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要設(shè)備，在氣象要素觀測(cè)方面已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)船舶之上了。船舶氣象儀其本身自帶的各種氣象要素的監(jiān)測(cè)傳感器能夠滿(mǎn)足海上航行過(guò)程中實(shí)時(shí)、連續(xù)地對(duì)船舶所在海域的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度以及大氣壓等氣象情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。掌握海上航行過(guò)程中的氣象要素信息對(duì)船舶在航行、靠岸以及拋錨等動(dòng)作時(shí)提供安全信息的參考。同時(shí)氣象儀具有非常強(qiáng)大的自身存儲(chǔ)能力，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)的氣象信息進(jìn)行記錄，其記錄的寶貴信息數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)研究開(kāi)發(fā)海洋環(huán)境有著非常重要的意義。因此氣象儀的正常穩(wěn)定運(yùn)行是保證上述工作完成的基礎(chǔ)，對(duì)氣象儀進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合檢測(cè)，能夠保證氣象儀長(zhǎng)期穩(wěn)定地處于正常工作狀態(tài)，為船舶的安全航行和研究海洋環(huán)境提供技術(shù)保障[3]。

1 船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際功能需求分析，需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)需要直接連接不同種類(lèi)的檢測(cè)氣象的傳感器，可以直接檢測(cè)出傳感器的故障；

2）能夠仿真不同種類(lèi)氣象要素傳感器的功能，在直接連接后能夠檢測(cè)出傳感器的主電路板的狀態(tài)；

3）具備通信檢測(cè)功能，能夠檢出通信模塊的狀態(tài)；

4）能夠?qū)ψ陨淼倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，保證自身工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在線；

5）船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)還應(yīng)具有存儲(chǔ)和顯示功能，能夠直觀地實(shí)時(shí)地對(duì)各部分的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)[4]。

為了滿(mǎn)足船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的功能需求以及其他的接口要求，最終選擇AT90CAN128 型號(hào)芯片的AVR 單片機(jī)作為船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的核心處理單元。

2 船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面其主要的控制單元是主機(jī)模塊，主機(jī)模塊主要完成的任務(wù)有人機(jī)交互、按鍵功能的實(shí)現(xiàn)，其供電系統(tǒng)利用的是220 V 的交流電源和可充電的鋰電池兩種方式。主機(jī)模塊的人機(jī)交互功能通過(guò)顯示屏和功能按鍵共同組成，顯示器采用型號(hào)EW50855BMW 型號(hào)的顯示器，尺寸參數(shù)為139 mm×120.5 mm×13.2 mm，該型號(hào)的顯示器的點(diǎn)陣為320×240，分辨率等方面都能夠滿(mǎn)足船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的使用要求。功能按鍵模塊采用的是2×4 矩陣，來(lái)分布8 種不同功能的按鍵。檢測(cè)氣象儀模塊是由主處理器、仿真?zhèn)鞲衅饕约靶盘?hào)3 個(gè)單元組成的，仿真?zhèn)鞲衅鲉卧怯刹煌臍庀笠氐姆抡骐娐方M成的，主要有風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、能見(jiàn)度以及降水量的信號(hào)仿真電路組成的。按照主處理器的相關(guān)指令要求，將信號(hào)分為3 種低、中、高的信號(hào)，并將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行傳輸，同時(shí)能夠直接連接船舶氣象儀內(nèi)部的各項(xiàng)電路板，對(duì)電路板的電路進(jìn)行正常的檢測(cè)和處理。檢測(cè)傳感器模塊是通過(guò)不同氣象要素的信號(hào)處理單元的調(diào)理電路組成的，通過(guò)將主處理器發(fā)送的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)信號(hào)的采集，并將結(jié)果傳遞至主機(jī)。

3 船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)主機(jī)模塊完成的工作是對(duì)各氣象要素的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自檢以及對(duì)氣象儀自身進(jìn)行檢測(cè)。在進(jìn)入到系統(tǒng)界面后通過(guò)按鍵的形式對(duì)其進(jìn)行操作。主機(jī)模塊的操作流程如下：首先是整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)，啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化完成后開(kāi)始檢測(cè)是否有按鍵操作，當(dāng)出現(xiàn)按鍵操作時(shí)能夠?qū)r(shí)間進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)其時(shí)間確定達(dá)到要求后，就能對(duì)顯示屏上的界面信息進(jìn)行更新。

船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)氣象儀模塊完成的是對(duì)氣象儀的電路板的檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后開(kāi)始對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后是否能夠接收到主處理器發(fā)送的檢測(cè)命令，當(dāng)接收到檢測(cè)命令后，根據(jù)信號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)命令的種類(lèi)進(jìn)行判斷，隨后仿真電路能夠開(kāi)始對(duì)各電路進(jìn)行仿真輸出，按照命令信號(hào)依次對(duì)相應(yīng)的電路板進(jìn)行狀態(tài)的檢測(cè)，最后將檢測(cè)到的結(jié)果命令發(fā)送至主機(jī)，發(fā)送完成后等待下次命令的輸入。

船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)還需要完成對(duì)傳感器模塊的檢測(cè)。傳感器模塊檢測(cè)的系統(tǒng)流程如下：系統(tǒng)啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后在檢測(cè)單元接收到來(lái)自主機(jī)的命令后，能夠根據(jù)命令檢測(cè)傳感器的類(lèi)型，根據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷傳感器的工作狀態(tài)，并將分析完成后的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，同樣是等待下次命令的操作。

4 船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證

為了保證船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的使用能夠滿(mǎn)足相應(yīng)的使用要求，在完成其硬件和軟件的匹配后需要對(duì)這兩部分進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)和試驗(yàn)。首先是對(duì)主機(jī)模塊進(jìn)行試驗(yàn)，主機(jī)模塊試驗(yàn)是檢測(cè)人機(jī)交互界面和能否通過(guò)按鍵完成相應(yīng)的界面變化。同時(shí)為了檢測(cè)主機(jī)模塊與其他兩種模塊的通信功能，需要通過(guò)按鍵對(duì)其進(jìn)行通信試驗(yàn)，主機(jī)模塊的鋰電池檢測(cè)是將鋰電池充滿(mǎn)電后，檢測(cè)其是否能夠讓主機(jī)模塊連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到3 h。主機(jī)狀態(tài)檢測(cè)完成后需要對(duì)氣象儀模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將不同的相對(duì)應(yīng)的電路板分別插入到檢測(cè)的總線槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)主機(jī)模塊能夠分別依次識(shí)別相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)時(shí)，就說(shuō)明其能夠滿(mǎn)足要求。對(duì)傳感器模塊進(jìn)行檢測(cè)，傳感器模塊的檢測(cè)驗(yàn)證是將各傳感器的電路分別接入到傳感器檢測(cè)模塊，通過(guò)主機(jī)模塊對(duì)各接入電路檢測(cè)的相對(duì)應(yīng)的物理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)其檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足時(shí)，能夠說(shuō)明其滿(mǎn)足使用條件。

通過(guò)對(duì)三大模塊的測(cè)試驗(yàn)證，船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)能夠完成上述的相關(guān)功能要求，并且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出相對(duì)應(yīng)的氣象要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象儀的自身電路以及各傳感器狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，在測(cè)試驗(yàn)證的過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作人員使用方便，人機(jī)交互界面較容易讀懂，能夠滿(mǎn)足船舶氣象儀的預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

船舶氣象儀的正常、高效運(yùn)行直接關(guān)乎著船舶的海上作業(yè)安全以及海洋環(huán)境相關(guān)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，能夠?yàn)槲覈?guó)研究海洋和開(kāi)發(fā)海洋提供基礎(chǔ)。根據(jù)船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的功能需求分析，設(shè)計(jì)了一套船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)，船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)分別由主機(jī)模塊、檢測(cè)氣象儀模塊以及檢測(cè)傳感器模塊組成的，根據(jù)船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)主處理器芯片進(jìn)行選型，并且確定了采用AT90CAN128 型號(hào)芯片的AVR 單片機(jī)作為船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的核心處理單元。詳細(xì)闡述了船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)其系統(tǒng)的軟件部分三大模塊中每一模塊的工作流程進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。最后根據(jù)三大模塊不同的實(shí)際工作情況分別進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，在驗(yàn)證的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)船舶氣象儀測(cè)試系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠完成對(duì)氣象儀自身的自檢和對(duì)各傳感器進(jìn)行綜合檢測(cè)，對(duì)船舶氣象儀有著較好地測(cè)試和故障診斷，驗(yàn)證過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，相關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)準(zhǔn)確，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，能夠滿(mǎn)足船舶在航行過(guò)程中對(duì)氣象儀測(cè)試功能的需求。