基于STM32的新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017-06-05 14:15姜小云李昭春
計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展 2017年5期
姜小云，李昭春，吳 俞
(1.海南省氣象探測中心,海南 ?？?570203；2.海南省氣象臺，海南 ?？?570000)
基于STM32的新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姜小云1，李昭春1，吳 俞2
(1.海南省氣象探測中心,海南 ?？?570203；2.海南省氣象臺，海南 海口 570000)
為了最大程度發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)、氣象決策和服務(wù)、人工影響天氣等業(yè)務(wù)和科研方面的效益，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和應(yīng)急解決新一代天氣雷達(dá)部分故障(軟件故障、停機(jī)故障、虛警故障等)的系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)繼電器開關(guān)控制新一代天氣雷達(dá)伺服控制單元、新一代天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制單元、新一代天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)主控板等設(shè)備電源以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位，設(shè)計(jì)新一代天氣雷達(dá)信號波形監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對新一代天氣雷達(dá)設(shè)備遠(yuǎn)程快速在線診斷。其在海南省新一代天氣雷達(dá)站的實(shí)際運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，使得新一代天氣雷達(dá)的系統(tǒng)可用性大幅提高，故障診斷與排除時(shí)間大為縮短，在全國天氣雷達(dá)觀測業(yè)務(wù)年終考評中名列前茅。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可供其他新一代天氣雷達(dá)站應(yīng)用和借鑒。
STM32;新一代天氣雷達(dá);遠(yuǎn)程控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì);網(wǎng)絡(luò)控制
0 引 言
全國新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)運(yùn)行多年來為各級天氣預(yù)報(bào)、氣象決策和服務(wù)、人工影響天氣等業(yè)務(wù)和科研等方面發(fā)揮了顯著效益，然而穩(wěn)定可靠的連續(xù)觀測運(yùn)行對新一代天氣雷達(dá)技術(shù)保障要求越來越高。前人已經(jīng)積累了大量關(guān)于新一代天氣雷達(dá)技術(shù)保障方面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和研究成果[1-12]。外國同行也做了很多有價(jià)值的工作[13-16]。為了最大程度發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)、氣象決策和人工影響天氣業(yè)務(wù)中的效益，必須發(fā)展新一代天氣雷達(dá)故障快速處理和應(yīng)急維修等技術(shù)。由于新一代天氣雷達(dá)大多建在高山或遠(yuǎn)離市區(qū)的偏僻地方，而且到了汛期新一代天氣雷達(dá)又必須是24小時(shí)不間斷運(yùn)行，因此大大增加了新一代天氣雷達(dá)維修維護(hù)和技術(shù)保障的壓力。新一代天氣雷達(dá)是一種能全天候全自動化運(yùn)行的天氣觀測設(shè)備，基本可以實(shí)現(xiàn)無人值守。但事實(shí)上，由于各種環(huán)境、干擾等的影響,使得新一代天氣雷達(dá)的穩(wěn)定性、可靠性難以達(dá)到無人值守的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SA型新一代天氣雷達(dá)部分停機(jī)故障是由于一些小故障等引起的，主要發(fā)生在RDA(雷達(dá)數(shù)據(jù)采集)計(jì)算機(jī)與伺服系統(tǒng)DCU(數(shù)控單元)通信連接失敗，RDA計(jì)算機(jī)與DAU(數(shù)據(jù)采集單元)系統(tǒng)的通信接口失敗，還有天線動態(tài)錯誤等故障。這些故障往往只需手動重啟RDA計(jì)算機(jī)或RDASC新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行軟件，重新上電復(fù)位DCU、DAU等分機(jī)系統(tǒng)，或者是重新上電復(fù)位發(fā)射機(jī)主控板等就可使雷達(dá)恢復(fù)正常運(yùn)行。為了盡可能實(shí)現(xiàn)無人值守和最大程度上發(fā)揮新一代天氣雷達(dá)使用效益，設(shè)計(jì)了一種基于STM32系列芯片的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制與應(yīng)急維修系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)該系統(tǒng)在海口等新一代天氣雷達(dá)站的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)果表明其使用效果良好，希望能為其他同類新一代天氣雷達(dá)站的技術(shù)保障業(yè)務(wù)提供借鑒。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要有本地終端、STM32遠(yuǎn)程服務(wù)器、繼電器開關(guān)控制等模塊。遠(yuǎn)程服務(wù)器是基于STM32F103VET6芯片的網(wǎng)絡(luò)控制板，在該控制板上配置了32路繼電器開關(guān)控制器，通過這些繼電器可以控制新一代天氣雷達(dá)不同分機(jī)的電源的通斷。終端電腦為省局局域網(wǎng)任意一臺客戶機(jī)，業(yè)務(wù)保障人員可以通過本地終端遠(yuǎn)程登陸到新一代天氣雷達(dá)機(jī)房的遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而進(jìn)行進(jìn)一步的遠(yuǎn)程控制與應(yīng)急維修等操作。繼電控制模塊涉及到硬件操作內(nèi)容，是遠(yuǎn)程應(yīng)急維修技術(shù)的核心模塊。采用5 V繼電模塊，其輸出觸點(diǎn)耐壓為220 V，可承受電流10 A以下的中等功率負(fù)載。該型號繼電器能夠控制新一代天氣雷達(dá)DAU單元供電開關(guān)、DCU單元供電開關(guān)和雙蹤數(shù)字示波器的多路采集電纜開關(guān)。為了能夠遠(yuǎn)程查看發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等各模塊電路關(guān)鍵測試點(diǎn)波形，采用多路時(shí)分復(fù)用技術(shù)把所有待檢測的測試點(diǎn)波形采集探頭連線利用繼電開關(guān)控制接入到一個(gè)示波器的某個(gè)通道，從而輪流檢測多個(gè)測試點(diǎn)波形。RDASC是SA型新一代天氣雷達(dá)運(yùn)行控制工作軟件，該軟件控制新一代天氣雷達(dá)各分系統(tǒng)有序工作并采集天氣觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。通過該軟件，操作人員可以操控新一代天氣雷達(dá)開機(jī)、關(guān)機(jī)和性能參數(shù)調(diào)整等。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 繼電器控制電路設(shè)計(jì)
繼電器控制開關(guān)電路采用Proteus軟件設(shè)計(jì)和模擬仿真。Proteus電路設(shè)計(jì)與仿真軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。Proteus與其他電子仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)的實(shí)際工作情況，還能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有采用單片機(jī)的電子系統(tǒng)的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接觀看程序運(yùn)行和電路實(shí)際工作的全過程和最終結(jié)果[1]。
如圖2所示，光耦芯片U1在引腳2處有一個(gè)低電平觸發(fā)時(shí)，U1引腳3和4導(dǎo)通，三極管Q1基極獲得電流后導(dǎo)通，從而使得繼電器RL1吸合，最終使得負(fù)載BUZ1通電工作。D2是續(xù)流二極管，起到保護(hù)繼電器的作用。原理圖設(shè)計(jì)完后，通過仿真模擬，添加電壓或電流探仿真工具，可以直觀地看到電路圖各處的電壓或電流，從而詳細(xì)了解整個(gè)電路的工作參數(shù)和運(yùn)行情況，為接下來實(shí)際電路制作節(jié)省時(shí)間和試驗(yàn)成本。
圖2 繼電器控制電路仿真設(shè)計(jì)圖
通過繼電器控制新一代天氣雷達(dá)的DAU、DCU和發(fā)射機(jī)主控板電源是否接通。因此，需要多路繼電器控制模塊。設(shè)計(jì)了最多32路繼電器控制電路以充分滿足新一代天氣雷達(dá)關(guān)于電源遠(yuǎn)程控制的需要。
2.2 網(wǎng)絡(luò)控制電路設(shè)計(jì)
圖3是采用STM32F103VET6芯片的主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。STM32F103VET6是32位Cortex-M3內(nèi)核的新型ARM處理器。它具有豐富的片內(nèi)RAM和外設(shè)，幾乎不需要擴(kuò)展其他外圍電路就能滿足一些簡單的設(shè)計(jì)需求，大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜度，且CPU運(yùn)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)處理和應(yīng)用。STM32F103VET6芯片具有豐富的片上資源,包括16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時(shí)器、5個(gè)USART接口、1個(gè)CAN接口、1個(gè)USB2.0全速接口和2個(gè)SPI(Serial Peripheral Interface)接口等。其中，該系統(tǒng)用到了一個(gè)USART接口和SPI接口。USART接口是為了下載程序到芯片內(nèi)部的程序存儲器，而SPI接口是為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，它和網(wǎng)絡(luò)控制芯片ENC28J60組合使用，從而簡單高效地實(shí)現(xiàn)了基于STM32單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用系統(tǒng)。
圖3 STM32主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
STM32F103VET6芯片的12和13腳外接一個(gè)8 M的晶振以提供芯片的時(shí)鐘信號，14腳外接芯片復(fù)位電路。USART1接口是芯片的程序下載接口，由引腳68和69組成，其中68腳是發(fā)送端，69腳是接收端。SPI接口是由29到33腳組成。如圖4所示，SPI接口和ENC28J60芯片實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。ENC28J60芯片是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口,與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示。ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊采用ENC28J60作為主芯片，單芯片即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入。利用該模塊，配合STM32 F103VET6芯片，就可以實(shí)現(xiàn)快速以太網(wǎng)連接[12]。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 UIP網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議棧簡介
UIP由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院開發(fā)。其源代碼由C語言編寫，并免費(fèi)開放源代碼。UIP協(xié)議棧是一個(gè)精簡的TCP/IP協(xié)議棧，它刪掉了原TCP/IP協(xié)議棧中不常用的功能，簡化了通信流程，只保留網(wǎng)絡(luò)通信必須用到的協(xié)議，具體包括IP、TCP、ICMP、UDP和ARP等協(xié)議。由于該協(xié)議棧是專為嵌入式系統(tǒng)量身定做的，所以它的代碼量很少，方便移植，占用內(nèi)存較少，發(fā)送和接收共用一個(gè)全局緩存節(jié)省了很多空間和時(shí)間，支持多個(gè)連接同時(shí)建立。而且對數(shù)據(jù)的處理采用輪詢機(jī)制，所以可以移植到不需要操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備中。
圖4 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)電路圖
UIP協(xié)議棧相當(dāng)于一個(gè)函數(shù)庫，通過一系列的函數(shù)實(shí)現(xiàn)與底層硬件和上層應(yīng)用程序的通信，對于整個(gè)系統(tǒng)來說它內(nèi)部的協(xié)議是透明的，從而增加了協(xié)議的通用性。UIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和上層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖5所示。
圖5 UIP協(xié)議棧功能示意圖
3.2 遠(yuǎn)程控制具體實(shí)現(xiàn)方法
UIP協(xié)議棧提供了很多接口函數(shù)，UIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理時(shí)調(diào)用UIP_APPCALL()接口函數(shù)。在不用修改協(xié)議棧的情況下可以適配不同的應(yīng)用程序。具體步驟如下：
(1)實(shí)現(xiàn)接口函數(shù)UIP_APPCALL。該函數(shù)是UIP和應(yīng)用程序的接口，必須根據(jù)需要在該函數(shù)做各種處理。
(2)初始化網(wǎng)卡。先初始化網(wǎng)卡，配置MAC地址，為UIP和網(wǎng)絡(luò)通信做好準(zhǔn)備。
(3)調(diào)用UIP_init接口函數(shù)，初始化UIP協(xié)議棧。主要是UIP自身的初始化。
(4)設(shè)置IP地址、網(wǎng)關(guān)以及掩碼。通過UIP_ipaddr、UIP_sethostaddr、UIP_setdraddr和UIP_setnetmask等函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
(5)設(shè)置監(jiān)聽端口。UIP根據(jù)設(shè)定的不同監(jiān)聽端口，實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)，比如Web網(wǎng)頁監(jiān)聽80端口(瀏覽器默認(rèn)的端口是80)，凡是發(fā)往該端口的數(shù)據(jù)，都通過Web Server的APPCALL函數(shù)處理。不過UIP有本地端口和遠(yuǎn)程端口之分，如果是做服務(wù)端，通過監(jiān)聽本地端口實(shí)現(xiàn)；如果是做客戶端，則需要連接遠(yuǎn)程端口。
(6)處理UIP事件。UIP通過UIP_polling函數(shù)輪詢處理UIP事件。該函數(shù)必須插入到用戶的主循環(huán)里面,這樣就可以不需要操作系統(tǒng)的支持。httpd.c、httpd-cgi.c、httpd-fs.c和httpd-strings.h，屬于UIP提供的Web服務(wù)器參考代碼，通過修改這部分代碼，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的Web網(wǎng)頁服務(wù)器。
3.3 keil開發(fā)環(huán)境與代碼實(shí)現(xiàn)
使用當(dāng)前國際流行的嵌入式開發(fā)工具keil平臺來實(shí)現(xiàn)程序的編輯、編譯、調(diào)試和下載。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)板嵌入式應(yīng)用程序包含以下幾個(gè)函數(shù)：
(1)Web_Server()。該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了在瀏覽器上創(chuàng)建一個(gè)Web服務(wù)器，通過Web里面的命令來控制新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)板上的繼電器吸合與釋放。
(2)fill_tcp_data_p()。該函數(shù)在指定位置填充TCP數(shù)據(jù)，返回值為填充后的位置。如：plen=fill_tcp_data_p(buf,plen,PSTR(""))，該語句將在所創(chuàng)建的網(wǎng)頁的當(dāng)前行中央位置顯示“海口新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)”。
(3)analyse_get_url()。該函數(shù)分析客戶端提交的網(wǎng)頁請求，并根據(jù)網(wǎng)址中包含的命令參數(shù)做出相應(yīng)動作，也就是收到客戶端的命令后對新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)板上的繼電器發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程復(fù)位。
(4)print_webpage()。該函數(shù)調(diào)用fill_tcp_data_p()創(chuàng)建一個(gè)嵌入式Web網(wǎng)頁，按照順序輸出頁面內(nèi)容，就像創(chuàng)建一個(gè)文件一樣。嵌入式系統(tǒng)中需要顯示的各個(gè)變量都可通過該函數(shù)顯示到Web頁面上。
所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是通過登陸Web服務(wù)器網(wǎng)頁遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達(dá)DAU、DCU和發(fā)射機(jī)主控板電源的開關(guān)，并且監(jiān)視機(jī)房的環(huán)境溫度和相對濕度，電源指示狀態(tài)和采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在該Web頁面上。
4 系統(tǒng)應(yīng)用
圖6為?？谛乱淮鞖饫走_(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。通過開發(fā)基于STM32F103VET6芯片的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制板，實(shí)現(xiàn)對新一代天氣雷達(dá)遠(yuǎn)程控制操作。開發(fā)板中配置的IP地址為天氣雷達(dá)站機(jī)房的局域網(wǎng)地址(如172.22.64.100)，只要在局域網(wǎng)的任意一臺電腦上打開瀏覽器輸入上述網(wǎng)址就可以打開如圖6所示的Web頁面。在頁面下方的表格里，左邊是三個(gè)分機(jī)電源指示狀態(tài)，綠燈表示加上了電源，紅燈表示關(guān)閉了電源，右邊表示對三個(gè)分機(jī)電源的操作，當(dāng)點(diǎn)擊某個(gè)操作，則相應(yīng)的分機(jī)電源開關(guān)反轉(zhuǎn)一次，從而實(shí)現(xiàn)了新一代天氣雷達(dá)的快速遠(yuǎn)程操控。
圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面
5 結(jié)束語
新一代天氣雷達(dá)觀測系統(tǒng)從剛開始布點(diǎn)到目前大規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)十多年了，為短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣監(jiān)測、人工影響天氣等業(yè)務(wù)和科研發(fā)揮了巨大作用。同時(shí)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對新一代天氣雷達(dá)觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性等保障業(yè)務(wù)方面的要求越來越高。討論了通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和應(yīng)急解決新一代天氣雷達(dá)故障，設(shè)計(jì)繼電器開關(guān)系統(tǒng)控制伺服控制單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、發(fā)射機(jī)主控板等設(shè)備電源以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位，設(shè)計(jì)信號波形監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)新一代天氣雷達(dá)設(shè)備故障遠(yuǎn)程快速在線診斷和監(jiān)控。同時(shí)給出遠(yuǎn)程控制新一代天氣雷達(dá)的方法和具體電路設(shè)計(jì)。根據(jù)其在?？诘刃乱淮鞖饫走_(dá)站的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)果表明該系統(tǒng)使用效果良好，希望能對其他新一代天氣雷達(dá)站的技術(shù)保障業(yè)務(wù)提供借鑒。
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Design of Remote Monitoring System for New Generation Weather Radar with STM32
JIANG Xiao-yun1，LI Zhao-chun1，WU Yu2
(1.Hainan Province Meteorological Detecting Center,Haikou 570203,China; 2.Hainan Province Meteorological Observatory,Haikou 570000,China)
The network remote control and rightly repairing system for the new generation weather radar (software faults,stopping running,false alarming,etc) has been designed for the most extent to develop the effect of business and research such as weather radar for weather forecast,meteorological decision and service,man-made informing weather and so on.By designing relay electronic switch systems to control the radar servo-actuated unit,the radar data acquisition unit and the radar transmitting main controlling board and other system device power supply to realize remote operations reset,the wave form monitoring system has been designed for the new generation weather radar’s remote quickly diagnosis on line.According to the actual operation of the system in some new generation weather radar stations in Hainan province,the operation situations have shown that this system has run in good operation and application and the availability of the new generation of weather radar has been promoted significantly as well as the fault diagnosis and elimination time greatly shortened.In the national weather radar observation business year-end evaluation,this system has reached the first with the best performance nationally.The reference value of this design method for this system can be involved in construction of other new generation weather radar stations.
STM32;next generation weather radar;remote control;system design;network control
2016-05-26
2016-08-31 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-13
海南省氣象科技創(chuàng)新項(xiàng)目(HNQXMS201505)
姜小云(1978-),男,碩士,高工，研究方向?yàn)樾乱淮鞖饫走_(dá)技術(shù)開發(fā)與保障。
http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170313.1545.018.html
TP302
A
1673-629X(2017)05-0196-05
10.3969/j.issn.1673-629X.2017.05.041
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