一种便携式船舶气象仪仿真仪

漆随平 王东明 郭颜萍 于宏波 张志伟

(山东省海洋环境监测技术重点实验室1，山东 青岛 266001;山东省科学院海洋仪器仪表研究所2，山东 青岛 266001)

0 引言

船舶气象仪(以下简称气象仪)用来为船舶提供气象信息，是船舶的重要设备［1］。当气象仪出现故障时，要求其能够快速恢复正常工作，以保证船舶的航行安全。虽然目前各型号的气象仪均采用了模块化设计［2－4］，并设计了故障诊断程序［5］，在其出现故障时仅需更换模块，但在维修时需要首先判断故障类别及位置。对于难以排除的故障，则需要维修专家上船或随船维修，这在航行或执行任务时难以实现。因此，气象仪的维修维护成为一个亟待解决的问题。

针对上述问题，本文研制了便携式船舶气象仪仿真仪(以下简称仿真仪)，实现了气象仪的综合仿真和故障诊断。样机的使用试验结果表明，该气象仪提高了测试维修的工作效率，缩短了气象仪的维修时间，增强了气象仪的使用效率，对船舶的航行安全及其推广应用将起到十分重要的作用。

1 硬件电路设计

1.1 总体结构

便携式故障诊断仪已在机械仪表设备维修性研究领域得到广泛应用［6］。为实现便携的功能，本仿真仪设计为模块化结构，用户可以根据需要选择功能模块，各功能模块可即插即用。仿真仪设计有可充电锂电池，用来满足应急及便携式使用的需要。

仿真仪由主仪器、两个检测模块和一个接口转换模块组成。两个检测模块分别是检测主机模块和检测传感器模块。主仪器模块用来完成检测任务、人机交互和检测结果显示等功能。检测主机模块用于仿真传感器，根据主仪器给定的气象仪型号和传感器型号仿真输出相应的传感器信号，实现对气象仪主机的检测和故障诊断，并将检测和诊断结果返回给主仪器，实现结果显示。检测传感器模块用于仿真气象仪主机，可根据主仪器给定的传感器接口类型、信号形式采集传感器信号，实现对传感器的检测和故障诊断，并将检测和诊断结果返回给主仪器模块，实现结果显示。接口转换模块实现各种类型的传感器及接插件的接口转换。

AVR单片机采用 CMOS技术和 RISC架构，使AVR单片机具有高速、低功耗和高可靠性的特点［7］。AVR系列单片机中的AT90CAN128内部集成了CAN控制器，它能够方便地实现CAN总线接口［8］。为完成仿真仪故障诊断模型，实现其智能化诊断功能，仿真仪主仪器及两个检测模块都采用AT90CAN128核心处理器构建为嵌入式系统。主仪器和检测模块通过CAN总线进行通信。

1.2 主仪器

仿真仪主仪器是仿真仪的控制核心，提供人机交互界面和操作按键，响应用户的操作命令并显示检测信息。仿真仪主仪器由AVR单片机系统、人机交互单元、显示驱动电路、按键处理电路、数据存储单元、时钟处理电路、CAN总线收发器、复位/电源管理电路及JTAG电路组成。人机交互单元包括显示屏和按键。显示屏采用EW50855BMW型液晶屏，按键选用金属键盘，由上移、下移、左移、右移、确认、返回、菜单、翻页八个键组成，并采用2×4矩阵式接口。数据存储单元设计有2 GB的SD卡，以存储专家知识库数据及检测历史数据。通信单元由CAN控制器(AT90CAN128内置)、CAN收发器和CAN总线接口电路组成。该CAN控制器支持 CAN2.0A＆2.0B规范，通信速率最高达1 Mbit/s，CAN收发器选择带隔离的高速收发器CTM1050，符合 ISO11898 标准［8］，具有 DC 2500 V 的隔离功能及ESD保护作用。时钟处理电路、复位/电源管理电路及JTAG电路为嵌入式系统通同的标准电路。仿真仪的主仪器电路框图如图1所示。

图1 主仪器电路图Fig.1 Block diagram of the circuit in main unit

1.3 检测主机模块

检测主机模块能够按照仿真仪主仪器发来的指令和选择的传感器输出信号量程，仿真输出低、中、高三档传感器信号。检测主机模块硬件由AVR单片机系统及其相应的传感器信号仿真电路、通信仿真电路组成。AVR单片机系统采用AT90CAN128微处理器。根据气象仪传感器现状，仿真传感器信号单元能够仿真输出的传感器信号包括脉冲信号、8位开关量信号、4～20 mA电流信号、Pt100铂电阻信号、0～5 V电压信号和RS-485数据。这些信号分别用来实现风速、风向、温度、湿度、气压、降水量和能见度等信号的仿真。通信单元包括RS-232接口电路、RS-422接口电路和CAN总线接口电路。该通信单元用以单片机系统调试、仿真接收航速航向数据以及与仿真仪主仪器通信。此外，检测主机模块通过采用不同的接插件，能够直接连接到主机内部的I/O板、A/D转换板、数据采集板、通信板、显控模块和功能模块等电路，对电路进行仿真检测。检测主机模块电路原理如图2所示。

图2 模块电路原理图Fig.2 Principle of the module circuitry

1.4 检测传感器模块

检测传感器模块能够按照仿真仪主仪器发来的指令，仿真气象仪采集风、温湿度、气压、能见度及降水量等传感器的信号，并把计算处理后的结果回传给仿真仪主仪器。检测传感器模块由AVR单片机系统、传感器信号处理单元和CAN总线接口电路组成，其硬件原理框图与检测主仪器模块类似。AVR单片机系统采用AT90CAN128微处理器。传感器信号处理单元包括风速、风向、温度、湿度、气压、降水量和能见度等信号调理电路，分别输出与相应的传感器信号范围一致的脉冲、8位并行开关量、4～20 mA电流、Pt100铂电阻、0～2 V和0～5 V电压、RS-232串口数据以及RS-485串口数据等信号。

脉冲信号经过滤波整形后，送入AVR单片机的定时器/计数器进行计数;开关量信号经过施密特整形后与AVR单片机的I/O口相连;电流信号通过100 Ω的精密电阻转换为电压信号并经调理后，送至A/D转换器进行A/D转换;Pt100铂电阻信号经惠斯通电桥转换为电压信号，再经过放大电路和调理电路处理后送A/D转换器进行A/D转换;电压信号经调理电路处理后送A/D转换器进行A/D转换;串口数据由电平转换芯片进行电平转换后，再经过串口扩展电路处理后送AT90CAN128的串口。

1.5 电源模块电路设计

为了实现仿真仪便携基站的功能，其电源采用交流220 V和锂电池这两种方式。设计的电源模块由锂电池单元和电压调整单元组成。锂电池单元通过充电器连接线接通交流电源(220 V/50Hz)后，即可为仿真仪供电。锂电池充满电后，可保证仿真仪连续工作3 h;电压调整单元可将交流220 V电源调制成直流15 V、±5 V，以供仿真仪工作。

2 软件设计

仿真仪主仪器的工作方式设计为检测传感器、检测主机和系统自检三种模式。开机后，显示屏显示主菜单界面。通过操作按键，用户可选择其中的一种工作模式。仿真仪主仪器和各检测模块之间的通信采用CAN总线通信。CAN通信程序采用主动发送和中断接收的方式，CAN通信协议遵循CAN2.0B规范。

仿真仪主仪器是仿真仪的信息处理和控制的核心，用以提供人机交互界面和操作按键，响应用户的操作命令，并向仿真仪检测模块发送检测命令和显示检测信息。仿真仪主仪器主程序流程框图如图3所示。

图3 主程序流程框图Fig.3 Flowchart of the main program

检测主机模块用来接收仿真仪主仪器指令输出传感器信号，代替实际传感器与气象仪主机连接，并对主机传感器接口及其内部通道、主机内部各个相关模块进行检测。

检测传感器模块用来接收仿真仪主仪器指令后采集传感器信号，并对信号进行计算处理，最后将数据返回给仿真仪主仪器。

3 关键技术及实现

气象仪工作原理及组成结构复杂，其内部电路板卡和外部传感器种类繁多，各自的电路组成复杂，元器件数量大，导致气象仪可能出现的故障种类多、故障点定位困难。因此，如何准确快速识别并定位故障点是仿真仪的关键技术。对此，本文将气象仪研制、生产和维修等方面的专家经验建立成知识库，采用故障树分析(fault tree analysis，FTA)方法实现故障的识别和定位，并设计出相应的基于嵌入式系统的专家系统软件。

将系统故障的各种原因由总体至部分按照树枝状结构，自上而下逐层细化的分析方法称为故障树分析方法。故障树体现了一个系统内故障或其他事件之间的交互关系［9］。在故障树中，底事件(basic event)通过一些逻辑符号(与门和或门)连接到一个或多个顶事件(top event)。顶事件一般指危及系统安全的事件或是不希望发生的系统故障，底事件通常表示部件故障或者是人员的错误操作。通过分析气象仪，建立用Mj表示中间事件(j=1，…，9)、xi表示底事件(j=1，…，20)、Top为顶事件的系统故障树模型。专家系统的智能化主要表现为能够在特定的领域内模仿专家思维来求解复杂问题。专家系统包含某领域专家的大量知识，拥有类似专家思维的推理能力，并能使用这些知识来解决实际问题［10－11］。气象仪故障树如图4所示。

图4 气象仪故障树Fig.4 Fault tree of the meteorological instrument

4 结束语

为了解决船舶气象仪维修时存在的困难，提出了一种便携式船舶气象仪故障诊断和维修的通用模式。该仿真仪综合了现代信号检测与信号处理技术、嵌入式系统技术和控制网络通信技术，并结合故障树分析方法，实现了对气象仪主机及其板卡、传感器、连接线及其连接件的快速检测，并使气象仪故障诊断实现在线化，具有良好的开放性和可扩展性。因此，该仿真仪的成功研制为气象仪的故障诊断和快速维修提供了便捷工具。同时，该仿真仪还可用于气象仪的使用培训教学，提高了气象仪的维修保障能力。

［1］杨慧，王东明.XZC2-2G型船舶气象仪［J］.海洋仪器装备，2002(1):36－37.

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［3］梁峰，王平，漆随平.舰用船舶气象仪［J］.机械，2008，35(6):29 －31.

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［6］周敬泉，袁鹏.便携式智能测量与故障诊断仪的设计与实现［J］.自动化仪表，2000，21(10):17 －18.

［7］马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［8］ATMEL Corporation.AT90CAN128:8-bit Microcontroller with 128K Bytes of ISP Flash and CAN Controller［EB/OL］.［2010 － 12 －09］http://www.atmel.com.

［9］史定华.故障树分析技术方法和理论［M］.北京:北京师范大学出版社，1993.

［10］吴今培，肖健华.智能故障诊断与专家系统［M］.北京:科学出版社，1997.

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