基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统开发

舰    船    科    学    技    术

SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 39, No. 12ADec. , 2017

基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统开发

翁国玲

(福建船政交通职业学院 航海技术系，福建 福州 350007)

摘 要: 海上气象观测技术在多种领域有重要应用，比如海上交通管理、船舶导航、海上台风监控与报警、

海洋环境监测等。目前，比较成熟的海上气象观测技术有舰船气象仪、遥感技术等，其中，舰船自动气象仪是一种广泛装载于各类舰船的一种自动化气象观测装置，利用装载于舰船上的传感器，舰船气象仪可以采集附近海域的风速、湿度、温度、降雨等重要信息。本文利用虚拟仪器技术和Labview软件平台，设计一种新型的基于虚拟仪器的舰船自动气象仪系统，并对该舰船自动气象仪系统的硬件设计和Labview程序设计进行详细的介绍。本文率先将虚拟仪器技术运用于船舶气象仪，对改善舰船气象仪的集成度和自动化水平有重要的作用。

关键词：虚拟仪器技术；气象仪；Labview；硬件设计中图分类号：U665.1          文献标识码：A

文章编号： 1672 – 79(2017)12A – 0170 – 03         doi：10.3404/j.issn.1672 – 79.2017.12A.058

Development of ship automatic meteorological instrument system

based on virtual instrument technology

WENG Guo-ling

(Navigation Technology DepartmentFujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)Abstract: Marine meteorological observation technology has important applications in many fields, such as marinetraffic management, ship navigation, marine typhoon monitoring and alarming, marine environment monitoring and so on. Atpresent, marine meteorological observation technology is relatively mature the ship meteorological instrument, remote sens-ing technology and so on, which is a kind of automatic ship meteorological instrument automatic meteorological observationdevice a wide loading on various ships, using various types of sensors loaded on the ship, the ship meteorological instrumentcan wind speed, temperature and humidity, collected near the sea the rainfall and other important information. This papermakes full use of virtual instrument technology and Labview software platform, the design of a new automatic system of shipmeteorological instrument based on virtual instrument and hardware design and Labview program design of the automaticship meteorological instrument system were introduced in detail. This research is the first to apply virtual instrument tec-hnology to ship weather instrument, which is very important to improve the integration and automation level of shipweather instrument.

Key words: virtual instrument technology；meteorological instrument；Labview；hardware design

0     引　言

海上气象观测在军事领域和民用领域都有重要的应用，军事舰艇在执行海上作战任务（比如敌方目标侦察、雷达探测等）时，海域的气象条件对军事侦察质量有很大的影响，必须要配备性能优越的气象观测设备；大型运输船在执行远洋任务时，为了保障运输货物和工作人员的安全，需要在规划航行线路时避开

恶劣天气发生的海域。因此，船舶气象仪的研究和开发是行业内的研究热点[1]。

目前，市面上应用的船载气象仪自动化程度较低，且含有较多的冗余设备，集成化程度较差。本文结合传统的船载自动化气象仪系统，利用虚拟仪器技术设计了一种新型舰船自动气象仪系统，并进行了该气象仪系统的整体结构设计、电路开发和软件程序开发。

收稿日期: 2017 – 10 – 13

作者简介: 翁国玲(1976 – )，女，副教授，主要研究方向为航海气象。

第 39 卷翁国玲：基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统开发

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1     虚拟仪器技术的研究与发展现状

虚拟仪器技术最早是由美国NI公司研发成功的一种新型技术，是传统仪器设备的功能化和软件化，在现代化实验平台搭建等领域有广泛的应用。

虚拟仪器技术的结构原理如图1所示。

图 1   虚拟仪器技术的结构原理图

Fig. 1    Schematic diagram of virtual instrument technology

虚拟仪器技术的结构原理主要包括以下几个方面：1）控制与采集模块

该模块主要包括DAQ数据采集板、GBIB仪器、VXI仪器和RS232仪器等部件[2]。

2）信号分析模块

主要由DSP信号处理器、统计器、数字分析和数字滤波器等组成。

3）数据显示模块

包括网络、输出、I/O端口和FILE文件等。

2     基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统的

开发

2.1 舰船自动气象仪系统的整体设计

船舶自动化气象仪是一种自动化、集成化程度较高的船载气象监测设备，广泛装载于军事舰艇、集装箱运输船、渔船等多种类型船只。舰船气象仪可以采集舰船附近海域的温度、湿度、风速、降雨量等信息，并可以结合计算机技术进行海域内气象信息的短周期预报，有助于合理规划舰船的航行线路，规避危险海域，提高舰船的航运安全性。

本文以CAN总线为数据通信链路，将不同种类的气象仪传感器节点与信号处理中心相连接[3]。

该舰船自动化气象仪系统的整体设计如图2所

图 2   舰船自动化气象仪的整体设计图

Fig. 2    Overall design drawing of marine automatic meteorological

instrument

示。图中，气象仪传感器主要包括温度、湿度、气压、能见度传感器等多种，传感器按照一定的组网原则组成传感器网络，可以实现舰船航行海域内详细的

气象信息采集。

舰船自动气象仪的GPS定位系统主要作用是采集舰船的经纬度、航速和航向等信息，为舰船在远洋航行时提供精确的定位。

通讯系统是舰船自动气象仪的重要组成部分，使舰船之间、舰船与基站之间、舰船内部的数据传输成为可能。本文采用了海事卫星和GPRS无线通信设备作为舰船气象仪的通信设备。

信号处理系统主要负责将气象仪传感器采集的信号过滤、分析、存储和输出，是舰船气象仪的核心部件。信号处理系统的硬件包括LED显示器、滤波器、SD卡等。

2.2 舰船自动气象仪系统的硬件电路设计

硬件电路是实现气象仪系统稳定工作的前提，本文在设计基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统时，主要考虑了下述硬件电路：

1）串口通信电路

舰船气象仪的串口通信电路将外接设备与计算机联接起来，并采用数据信号线进行按位的寻址和数据传输。尽管串口通讯电路的传输速度相对较低，但其成本低，传输稳定性高[4]。

2）USB接口电路

本研究基于SN65HVD231芯片设计了气象仪的USB接口电路，该芯片内置了USB通信协议和文件管理系统，可以支持常用的USB存储设备的读写。该USB接口电路图如图3所示。

3）系统时钟电路

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舰    船    科    学    技    术第 39 卷

图 3   USB接口电路Fig. 3    USB interface circuit

时钟电路是一种准确运动的振荡电路，决定了整个系统的运行时钟。

4）电源电路

本文设计的电源电路如图4所示。

图 4   舰船气象仪的电源电路设计Fig. 4    Design of power supply circuit for ship

meteorological instrument

2.3 基于虚拟仪器技术的舰船自动气象仪系统开发

Labview是美国NI公司研发的一种图形化软件编程平台，利用计算机和虚拟软件技术，Labview可以通过定义和连接不同功能模块的图标[5]，迅速的建立起高水平的控制程序。

本文设计的基于Labview的舰船自动气象仪程序主要分为两方面：数据通信程序和设备驱动程序。下面分别对这两部分程序进行介绍：

1）设备驱动程序

该LabVIEW程序首先进行内核的初始化，然后从设备中读取配置数据，并向被驱动程序发送控制指令，实现设备驱动。该程序如图5所示。

图 5   气象仪的LabVIEW设备驱动程序

Fig. 5    LabVIEW device driver for meteorological instrument

2）数据通信程序

船舶气象仪的通信程序是实现数据传输的基础，具有通信接口定义等功能。

3     结　语

气象信息是船舶航行的重要信息，对船舶航线规划、目标监测等有重要指导作用，保障了船舶的航行安全和效率。为了提高舰船传统气象仪的自动化水平和集成化，本文利用虚拟仪器技术开发了舰船自动气象仪系统，并详细介绍了该气象仪的硬件电路设计和

LabVIEW软件程序。

参考文献：

[1]李方亮, 杨智应. 基于移动对象数据库的航行信息更新机制

[J]. 上海海事大学学报, 2012, 33(3): 22–25.

[2]丁一, 仲颖, 林国龙, 等. 软时间窗与随机航行时间的不定期

船舶航线规划[J]. 华中师范大学学报(自科版), 2015, 49(3):387–391.

[3]杨令省. 船舶航线规划中的精确控制算法研究[J]. 舰船科学

技术, 2017(8): 85–87.

[4]宋树礼, 刘冬冬. 莒县自动与人工平行观测资料的差异分析

[J]. 气象水文海洋仪器, 2011, 28(4): 36–37.

[5]胡萌琦, 黎家宜, 唐新, 等. 基于虚拟仪器技术的农业气象自

动观测系统研究[J]. 气象研究与应用, 2010, 32(2): 57–59.