水情遥测设备旁路测试系统设计

□蔡勋星（南阳市白河橡胶坝管理处）

□吴冀伟（南阳水文水资源勘测局）

水情遥测设备旁路测试系统设计

□蔡勋星（南阳市白河橡胶坝管理处）

□吴冀伟（南阳水文水资源勘测局）

水情遥测设备作为一个设计嵌入式系统、传感器、数据传输等软硬件结合的自动化测报系统，作为一个无人值守的野外数据采集传输设备，要能够及时准确的维护使其稳定工作，就必须设计便携式的旁路测试系统。系统设计就是分析水情遥测设备工作原理，输入输出接口，再依据水情遥测设备的输入输出交互状态，反向双向模拟测试，从而达到现场测试数据采集设备、控制单元和传输单元工作姿态。

水情遥测设备；旁路测试系统；反向双向测试

水情遥测设备作为一个设计嵌入式系统、传感器、数据传输等软硬件结合的自动化测报系统，该系统属于标准的SCADA（监控与数据采集）系统，涉及数据的采集、处理和传输。系统的组成复杂，因此在出现故障时，判定故障点极其困难。在维修实践过程中，靠人工经验判定，常常需要花费大量的时间，而水情遥测设备大都位于山区，交通不便，有时一个测点的维修需要反复多次，导致恢复时间过长。根据《水文自动测报系统技术规范》，要求在12h内修复设备故障。因此，要在不介入设备的情况下，迅速判定故障点，就必须设计出旁路测试系统，现场测试设备，发现问题，排除故障，恢复使用。

一、旁路测试系统的建设思路

根据需求，建立旁路测试系统的目的就是通过便携式设备，现场模拟水情遥测设备的输入输出，测试控制设备和采集设备的工作姿态，从而判定水情遥测设备的故障点。

二、分析水情遥测设备的特征

水情遥测设备主要有RTU、DTU和雨量水位等数据采集仪器组成。水情遥测设备主要通过外部数据采集设备采集雨水情，通过RTU运算控制，结果输出到屏幕和DTU。DTU是采用标准的GPRS/GSM模块，采用RS-232接口，传输数据。其工作原理如图1：

RTU可以接受的输入输出包括：开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元、数字量输入单元。

图1 RTU工作原理图

开关量输入单元：对现场各种开关信号的采集，现场信号可以是继电器触点开关（无源），也可以是电压信号，还可以是电流信号。由于采用光隔离器件，可以抵抗现场各种干扰，能够在强电场、强磁场、多尘埃、潮湿环境下正常工作。

开关量输出单元：用于遥控远端设备的开停、声光、告警等。

模拟量输入单元：采用模拟开关及光电隔离技术，将现场各种模拟信号采集进来，既可以是4-20mA、0-10mA标准模拟信号；也可以是非标准模拟信号，如交流220V等，A/D板采用智能A/D变换和利用软件技术，可抗工频50Hz干扰，射频干扰等，A/D变换精度高达14位。模拟量路路隔离，可以用于不同的地电位设备同时采集。

模拟量输出单元：用于PID调节方式下的各种自控系统。

脉冲量输入单元：采集脉冲信号的频率，带光隔。采集信号的频率范围为0～20MHz。

数字量输入单元：接收各种串行数据信号。可以是RS485接口，RS232、RS422接口，或V11、V28等各种波特率下的异步串行数据。也可以采集64K同步数据。

RTU工作顺序如图2：

图2 RTU工作顺序图

水情遥测设备启动后就进入值守状态，在输入输出或DTU的触发下，立即进入工作态，运算控制。

分析RTU的工作原理可知，水情遥测设备主要输入有：雨量信号、水位信号和DTU命令（例如招测）。输出主要有：通过RS-232传向DTU的水情编码。

雨量和水位信号主要是：雨量传感器采用翻斗式雨量计和浮子式水位计作为系统的雨量传感器和水位传感器，翻斗式雨量计属于开/关式数字传感器，浮子式水位计属于编码式数字传感器。

通过RS-232传向DTU的水情编码，主要是ASCI码标准的字符串，其组成有设备的所在地冠字、站编码和雨水情实时报文。

由此可见，水情遥测设备输入输出交互可以分为3类：数据采集、通讯交互和监测数据的控制处理显示。

三、旁路测试系统的主要功能

旁路测试只有通过通讯口同系统交互。功能可以分为四部分：模拟RTU测定雨量水位信号、模拟雨量水位信号测试RTU、测定DTU和交互测定RTU板载芯片。

（一）测试系统模拟雨量水位信号测定RTU

测定雨水情测量信号的工作原理是，RTU接收的信号是通过RS232串口通讯，因此，把信号接口接到计算机的串口上，通过改变人为变化雨量和水位值，旁路测定系统不断读取串口数据，从而判定雨量和水位测量传感器是否工作正常。

反之，把计算机的串口接到RTU的RS232或RS485口上，计算机模拟雨量水位信号，其中雨量为脉冲信号，水位为格雷码格式信号，输入不同雨量值和水位值，从RTU上可以判定值是否正确，从而判定RTU是否工作正常。

（二）测试系统测定DTU

遥测设备中DTU单元一般采用GSM调制解调器，通过串口同RTU连接，因此，测定系统直接把DTU接到计算机的串口上，利用AT命令集，测试DTU是否正常。

（三）交互测定RTU板载芯片

RTU属于嵌入式系统在嵌入式操作系统读入后，初始化CPU外部设备驱动，然后读入遥测值守程序，等待雨水情信号。

在RTU工作的过程中，如果板载芯片出现故障，将会导致外部驱动不能正常加载，这时，RTU的NVRAM的寄存器就会记录相应的设备。

所谓交互测定就是在RTU加电状态下，读取NVRAM的寄存器判定那个外部设备，也就是芯片工作不正常。

四、实现

水情遥测设备的旁路测试系统，采用龙人ARM11开发板，利用板载通讯端口，双向模拟输入输出信号，通过ADS1.2编写代码。系统的操作系统是wince，基本上实现了专有化和小型化。

五、结语

水情遥测设备的旁路测试系统是基于ARM开发板开发的系统，也可以移植到PC上，但在内部板载设备的测试上由于厂商芯片保密，测试不是十分完备。同时，由于针对金水燕禹系统制作，有一定的局限性，但可以通过增加芯片库来增加其适应性。

2011-08-17