DNQ1前向散射能见度仪系统用户手册

DNQ1 前向散射能见度仪系统用户手册（竞赛版）第 2 页 共 21 页目录1 DNQ1 前向散射式能见度仪探测原理 22 DNQ1 传感器的设备构成 53 设备使用维护注意事项 .53.1 设备安装方式 53.2 设备校准 64 数据采集 .74.1 总体功能概述 74.1.1 数据采集部分 .84.1.2 采集器支持的通信接口 .84.2 硬件技术指标及传感器接口说明 84.2.1 各元件位置示意图 .84.2.2 技术指标 .94.3 硬件性能指标和设计精度 104.3.1 系统硬件指标 .104.3.2 测量部分技术指标 .104.3.3 电气技术指标 .104.4 HY1105 通用型采集器站常用命令 .115 数据帧格式 .175.1 帧格式说明 175.2 要素及状态信息说明 185.3 示例（READDATA 命令） .186 电源 .197 系统参数 .198 综合硬件集成控制器与能见度采集器布局 20附件：前向散射能见度仪接线图 21第 3 页 共 21 页1 DNQ1 前向散射式能见度仪探测原理DNQ1 前向散射式能见度仪由发射器、接收器、电源控制器、采集器和机架等部分组成。探测原理见图 1.1 和 1.2.发射器装置由红外线 LED、控制和触发电路、红外线强度传感器（光二极管）和反向散射信号强度传感器（光二极管）组成。变送器装置以 2kHz 的频率使红外线 LED 产生脉冲波。光二极管监控发射光强度，测量的变送器强度用于自动使红外线 LED 的强度保持为预设值。 “LEDI”反馈电压由 CPU 监控，以获取有关红外线 LED 的老化情况和可能的缺陷的信息。反馈回路对红外线 LED 的温度和老化效应进行补偿。另一方面，主动补偿会略微加速红外线 LED 老化。因此，初始 LED 电流设置为一个值，这可确保装置运行几年而无需维护。额外的光二极管测量从镜头、其他对象或污染物向后散射的光，此信号也由 CPU 监控。温度传感器是固定到横臂上的 Pt100 热敏电阻。使用高精度 A/D 转换器，每分钟测量一次温度。光接收器由 PIN 光二极管、前置放大器、电压到频率转换器、反向散射测量光源LED 以及一些控制和定时电子器件组成。接收 PIN 光二极管检测从采样空气柱内悬浮颗粒散射且被镜头聚焦（特定方向的散射光）的光脉冲。信号电压由与变送器同步的相敏锁定放大器进行过滤和检测。高达 30kcd/m2 的环境光照水平不会影响光二极管的检测，也不会使前置放大器饱和。发射器通过红外发光管，产生红外光通过镜头在大气中形成接近平行的光柱。接收器将采样区内大气的特定方向的前向散射光汇集到光电传感器的接收面上，并将其转换为与大气能见度成反比关系的电信号。此信号经处理后送至控制器的数据采集板经 CPU 取样和计算得到采样区内大气的特定方向的前向散射光的强度值，由此估算出总的散射量（与仪器的结构决定的采样角度有关） ，从而得到透过量，由此计算得到大气能见度的值。第 4 页 共 21 页图 1.1 前向散射式能见度仪探测原理图图 1.2 光学测量示意图第 5 页 共 21 页2 DNQ1 传感器的设备构成DNQ1 能见度传感器的具体组成部分如图 2.1 所示，总体上位 7 部分构成。使用安装法兰将其固定到桅杆侧面或横臂。 图2.1 DNQ1前向散射式能见度仪变送器/发射器控制器/接收器空白面板管中的 Pt100 温度传感器安装座护罩式加热器（可选）亮度传感器 PWL111（可选）的位置3 设备使用维护注意事项3.1 设备安装方式使用传感器支臂安装 DNQ1 时，注意横臂安装方向朝西，按如下所示进行操作：图 3.1 将 DNQ1 安装到支臂上第 6 页 共 21 页图 3.2 使用法兰配件将子配件安装到桅杆上3.2 设备校准DNQ1 已在出厂时进行了校准。通常，只要电路板没有更换或警告和警报中没有相关要求，就不需要重新对 DNQ1 执行校准。不需要对电路板进行硬件校准。建议每年执行一次定期检查。用户可以使用 PWA11 校准套件检查能见度校准。如果检查结果显示变化小于5%，建议不要进行重新校准，因为变化属于校准过程的可重复性范围内。如果任何机械损坏改变或削弱了光学测量路径（即接收器或变送器，或者支撑接收器或变送器的横臂） ，则必须更换 DNQ1。如果更换了接收器装置或变送器装置(PWT11)，则需要重新校准能见度测量和污染测量。可以使用 PWA11 校准套件检查并调整校准。该套件包含一个挡板和两个具有已知散射属性的不透明玻璃板。该过程中将使用 ZERO、CHEC 和 CAL 命令。校准过程检查两点：零散射信号和极高的散射信号。零信号使用挡板获取，而高信号使用不透明玻璃板获取。校准能见度测量时，能见度应大于 500 米。建议不要在大雨或明亮的阳光下执行校准。照射到校准仪板上的明亮阳光将增加散射测量时的噪音，降低 CHEC 命令输出的稳定性。但是，可以在小雨天气下进行校准。执行校准检查过程之前，请清洁镜头，另请检查不透明玻璃板的状况并根据需要进行清洁。首先将能见度传感器直接与计算机或综合硬件集成控制器连接，设置通信参数：波特率 9600bps, 奇校验位，数据位 7，停止位 1，按以下步骤进行校准检查：（1）阻止光路，请将挡板放在接收器护罩中，然后等待 30 秒。（2）发出 ZERO 命令。DNQ1 应做出如下响应：ZERO SIGNAL: OK（3）移动挡板。（4）将校准仪板装到镜头护罩中。请参见下图 3.3。第 7 页 共 21 页（5）将不透明玻璃板固定到护罩上。请注意印在玻璃板上的信号值，因为以下步骤中需要使用该值。（6）移出光路并等待 30 秒。（7）发出 CHEC 命令。（8）一分钟之后读取显示的信号。（9）该信号值必须接近印在玻璃板上的值。如果差值小于 5%，则校准正确。否则，请继续执行校准过程。（10）按 ESC 键终止 CHEC 命令 图 3.3 组装不透明玻璃板如果需要根据校准检查执行校准，请按照下面的说明操作：（1）发出以下命令：CAL calibrator signal value例如：CAL 485校准仪信号值印在玻璃板的标签上。通常，该信号接近为 500Hz。DNQ1 会计算新的比例因数并将其保存在非易失性存储器(EEPROM)中。（2）键入 CHEC 以验证是否正在使用新的比例因数。显示的信号值应等于校准仪信号值。如果新的比例因数与出厂校准的比例因数的差值超过 20%，则会忽略 CAL 命令。请检查 DNQ1 和校准仪是否存在硬件或机械错误。如果已更换光学装置 PWC10/20/50 或 PWT11，则与初始比例因数相比，新的比例因数可能会更改 20%以上，请忽略值和 CAL 命令。在这种情况下，请在校准过程中使用FCAL 命令（出厂校准）代替 CAL。第 8 页 共 21 页4 数据采集4.1 总体功能概述DNQ1 前向散射能见度仪所配置的数据采集器为 HY1105 通用型数据采集器，该采集器具有通用型测量特点的集数据采集、数据处理、数据存储为一体的高性能采集器产品。该采集器硬件采用集成化设计，是通用型的一种小型化设计，适用于相对专业化的用户的需求。可以采集 4 路模拟信号和 4 路数字信号。每路模拟测量通道都具有三种工作方式：测量一个电阻或者同时测量三个单端电压和一个电流或者一个单端电压一个差分电压及一个电流。可以采集各种模拟和数字信号，可以根据用户需要外接风速、风向、雨量、温度、湿度、气压、辐射等多种气象要素传感器，从而可以很好的满足用户的监测要素配置要求。采集器可按照系统参数配置自动实时采集需要监测的气象要素，并对采集到的要素数据按照特定格式与算法进行处理。处理后的数据存储在 SD 卡上，标准配置容量 2G，可存储长达一年的分钟与小时数据。系统配备有丰富的通讯模块，包括 3 个 RS-232/1 个 RS-485，数据采集器可以配合无线通讯服务器，将监测到的气象要素数据通过网络发送到中心服务器，同时可以接受中心服务的远程集中管理与配置，真正实现了网络化的智能管理。4.1.1 数据采集部分a) 数字采集部分：可以测量 4 个数字通道，任何一个数字通道都可以实现高频信号或脉冲信号的采集。b) 模拟采集部分：每个模拟通道包含 4 个标准通用型模拟量测量单元，每个标准通用型模拟量测量单元最多可以采集 4 个要素，最多可采集 16 个要素，可以实现电压、电阻、电流等模拟信号的采集。4.1.2 采集器支持的通信接口RS232/RS485 接口：板上包含 1 路 RS232 通道，1 路 RS232/RS485 双用通道和一个RS-232 调试串口，可以实现对智能传感器、LED 显示屏等数字设备的连接。4.2 硬件技术指标及传感器接口说明4.2.1 各元件位置示意图第 9 页 共 21 页图 4.1 采集器接口示意图图 4.2 采集器实物图4.2.2 技术指标1RS232 串行口2：波特率、数据位、停止位、校验位可设，速率范围9600115200。2RS485 总线接口：波特率、数据位、停止位、校验位可设，速率范围9600115200。3调试串口：用于设备调试，默认为波特率：9600，校验位：NONE，数据位：8，停止位：1。调试串口数字接口系统指示灯电池或电源接口模拟接口串行数据接口第 10 页 共 21 页4电池/电源接口：均为两芯 5.08mm 插座。电源输入范围 7V15V。5整机功耗：30mA。 （不包括 RS-485（20 mA） ）4.3 硬件性能指标和设计精度4.3.1 系统硬件指标(1)电源：7V-15V 输入，系统内部供电 5V、3.3V(2)工作温度：工业级-4080(3)处理器：ARM7 核心，32/16 位处理器(4)SD 卡：标准配置容量 2G 字节，标准设置为存储一年分钟与小时数据。(5)时钟精度：误差小于 1 分钟每月(6)处理器：ARM7 内核，时钟频率 12M44MHz(7)DC-DC 供电模块转换效率：90%4.3.2 测量部分技术指标(1) AD 分辨率：16 位(2) 通道容量：4 模拟+4 数字(3) 电流采样范围：025mA(4) 频率测量精度：1Hz(5) 频率测量范围：03KHz(6) 差分电压测量精度： 10uV(7) 单端测量精度：1(8) 电压测量范围：02.5V(9) 模拟采样频率：25 次(10) 电阻采样精度：0.044.3.3 电气技术指标(1)电源输入电压：输入电压 7V-15V，额定 12V(2)电压分布结构：3.3V1%，5V1%，1.8V1%(3)电流采样范围：025mA(4)频率采样范围：03KHz(5)电压采样范围：差分-2.5V2.5V，单端 02.5V本设备符合中国气象局气象探测技术中心新编制的数据字典查询协议。也可以通过采集器的数据透传指令直接与前端的传感器命令交互和采集数据。第 11 页 共 21 页4.4 HY1105 通用型采集器站常用命令设置或读取设备的通讯参数（SETCOM）命令符：SETCOM参数：波特率 数据位 奇偶校验 停止位示例：若设备的波特率为 9600 bps，数据位为 8，奇偶校验为无，停止位为 1，若对设备进行设置，键入命令为：SETCOM,9600,8,N,1返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若为读取设备块通讯参数，直接键入命令：SETCOM正确返回值为。注：1. 非特殊情况下不对设备波特率进行修改，波特率修改范围为（1200,2400,4800,9600, 19200,38400,57600,115200） 。2. 波特率修改时应先返回数据再修改波特率。3. 设备一旦修改波特率后保存波特率设置。设备自检（AUTOCHECK）命令符：AUTOCHECK返回的内容包括设备日期、时间，通讯端口的通讯参数，设备状态信息（厂家自行定义格式不定） ，SMO 终端软件只对其进行显示，不做处理。返回值： T 表示自检成功,F 表示自检失败。帮助命令命令符：HELP返回值：返回终端命令清单，各命令之间用半角逗号分隔。设置或读取设备的区站号（QZ）命令符：QZ参数：设备区站号（5 位数字）第 12 页 共 21 页示例：若所属气象观测站的区站号为 57494，则键入命令为：QZ,57494返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若设备的区站号为 57494，直接键入命令：QZ正确返回值为。设置或读取设备的服务类型(ST) 命令符：ST参数：服务类型（2 位数字）示例：若设备用于基准站，则键入命令为：ST,00返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若设备服务类型为 00，直接键入命令：ST正确返回值为。注：设备端需要对设备服务类型进行存储。读取设备标识位（DI）命令符：DI示例：读取自动气象站设备标识位，直接键入命令：DI正确返回值为:。设置或读取设备 ID（ID）命令符：ID参数：3 位数字示例：新型自动气象站设备 ID 为：000，对设备进行设置，键入命令为：ID,000返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若为读取设备 ID 参数，直接键入命令：ID第 13 页 共 21 页正确返回值为:。设置或读取气象观测站的纬度（LAT）命令符：LAT参数：DD.MM.SS（DD 为度，MM 为分，SS 为秒）示例：若所属气象观测站的纬度为 321420，则键入命令为：LAT,32.14.20返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若数据采集器中的纬度为 420600，直接键入命令：LAT正确返回值为。设置或读取气象观测站的经度（LONG）命令符：LONG参数：DDD.MM.SS（DDD 为度，MM 为分，SS 为秒）示例：若所属气象观测站的经度为 1163418，则键入命令为：LONG,116.34.18返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若数据采集器中的经度为 1083203，直接键入命令：LONG正确返回值为。设置或读取设备日期（DATE） 命令符：DATE参数：YYYY-MM-DD（YYYY 为年，MM 为月，DD 为日）示例：若对设备设置的日期为 2012 年 7 月 21 日，键入命令为：DATE,2012-07-21返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若设备的日期为 2012 年 7 月 21 日，读取设备日期，直接键入命令：DATE正确返回值为:。第 14 页 共 21 页设置或读取设备时间（TIME）命令符：TIME参数：HH:MM:SS（HH 为时，MM 为分，SS 为秒）示例：若对设备设置的时间为 12 时 34 分 00 秒，键入命令为：TIME,12:34:00返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若设备的时间为 12 时 35 分 00 秒，读取设备时间，直接键入命令：TIME正确返回值为:。设置或读取设备日期与时间（DATETIME） 命令符：DATETIME参数：YYYY-MM-DD,HH:MM:SS（YYYY 为年，MM 为月，DD 为日, HH 为时，MM 为分，SS为秒）示例：若对设备设置的日期为 2013 年 5 月 27 日 12 时 34 分 00 秒，键入命令为：DATETIME,2013-05-27,12:34:00返回值： 表示设置失败，表示设置成功。若设备的日期为 2013 年 5 月 27 日，12 时 35 分 00 秒，读取设备日期时间，直接键入命令：DATETIME正确返回值为:。设置或读取设备主动模式下的发送时间间隔（FTD）命令符：FTD参数：FI，mmC （FI 代表帧标识;数据类型；mmC 表示时间间隔，其中 C 代表时间单位：用 H 表示小时，M 表示分钟，S 表示秒。当 C 为”H” ，mm 值在（0124）之间；当 C 为”M”，mm 值在（0159）之间；当 C 为”S” ，mm 值在（0059）之间，当 mm 为 00，即mmC 为”00S”时，表示主动模式下取消自动发送 FI 类型的数据包。 ）设置的时间间隔不能小于帧标识中的时间间隔。示例：若设置设备主动发送实时分钟数据的时间间隔为 5 分钟，键入命令：FTD,001,05M返回值： 表示设置失败，表示设置成功。第 15 页 共 21 页若设置设备主动发送整点小时定时数据的时间间隔为 1 小时，键入命令：FTD,160,01H返回值： 表示设置失败，表示设置成功。不带参数时用于查询主动模式下设备支持的所有帧数据的发送间隔。若设备具有实时分钟数据和小时定时数据两种数据包格式，但只主动发送定时数据，发送时间间隔为1 小时，键入查询命令， FTD正确返回值为:。历史数据下载（DOWN） 命令符：DOWN参数为：开始日期，开始时间，结束日期，结束时间，帧标识。下载指定时间范围内对应帧类型的观测记录数据。开始/结束日期的格式：YYYY-MM-DD；开始结束/时间的格式：HH:MM:SS当帧标识为 001 实时分钟帧标识时，必须缺省帧标识参数。示例：若获取设备中 2012 年 7 月 21 日 20 时 0 分 0 秒至 2012 年 7 月 24 日 20 时 0 分0 秒的分钟数据，键入命令为：DOWN，2012-07-21,20:00:00,2012-07-24,20:00:00返回值： 表示读取失败，正确返回：实时分钟历史数据，每条数据末尾附回车换行。若获取设备中 2012 年 7 月 21 日 20 时 0 分 0 秒至 2012 年 7 月 24 日 20 时 0 分 0 秒的整点小时定时数据，键入命令为：DOWN，2012-07-21,20:00:00,2012-07-24,20:00:00,160返回值： 表示读取失败，正确返回：历史整点小时数据，每条数据末尾附回车换行。注：1. 历史数据保存时间长度大于等于滞后当前时刻 72 小时。2. 由上位机统筹考虑下载时间和内容，优先保证实时数据传输，一次下载内容一般不超过一个小时数据；3. 缺测数据格式为：BG，QZ（区站） ，ST（服务类型） ，DI（设备标识） ，ID（设备 ID） ，DATETIME（时间） ，FI（帧标识），/，校验，ED第 16 页 共 21 页实时读取数据（READDATA）注：从存储器中读取最近的一组数据。命令符：READDATA参数：帧标识。从存储器读取最近一次的对应帧标识数据，当帧标识为 001 实时分钟帧标识时，必须缺省帧标识参数。示例：若获取设备中 2012 年 7 月 21 日 20 时 0 分 0 秒的分钟数据，键入命令为：READDATA返回值：表示读取失败，正确返回：当前数据。若获取设备中 2012 年 7 月 21 日 20 时 0 分 0 秒对应的 20 时整点小时定时数据，键入命令为：READDATA,160返回值：表示读取失败，正确返回：当前整点数据。注：在主动方式中不响应该命令；设置握手机制方式（SETCOMWAY）注：设置数据传输握手机制方式。命令符：SETCOMWAY参数为：1 为主动发送方式，0 为被动读取方式，示例：设备默认为被动读取方式，如果需要采用主动发送方式可以由上位机发送命令“SETCOMWAY,1”，返回表示设置成功，则上位机实时接收设备主动发送的数据即可，如需要采用被动读取方式，则上位机发送命令“SETCOMWAY,0” ，返回表示设置成功，第一次连接设备时默认为被动读取方式，上位机不用发送“SETCOMWAY,0”命令。键入命令为：SETCOMWAY,1返回值：表示设置主动发送失败，返回表示设置主动发送成功。键入命令为：SETCOMWAY,0返回值：表示设置被动读取失败，返回表示设置被动读取成功。第 17 页 共 21 页串口监控命令（仅限 DNQ1 型使用）打开命令 OPENCHANNEL0!关闭命令 CLOSECHANNEL!字段含义 字段内容 字段长度 取值范围设置参数命令字 OPENCHANNEL 11串口通道号 0 1 040-RS232 DEBUG1-RS232-13-RS232-3结束符 ! 1当使用此参数时，可以打开命令中表明的通道号，到当前使用的调试串口的透传映射通道，从而可以监控各个串口的发送/接收数据状态。例如，调试串口接在 RS232 DEBUG 串口上，想监控串口 RS232-3 上的收发数据，即发送 OPENCHANNEL3!命令。即可以通过 RS232 DEBUG 串口，映射 RS232-3 上的收发数据。注：由于 OPENCHANNEL!监控状态不会自动关闭，因此在监控完毕后，必须使用CLOSECHANNEL!命令关闭监控。以避免不必要的数据输出。5 数据帧格式5.1 帧格式说明数据包头起始位区站号 服务类型 设备标识位 设备 IDBG 6 位数字 2 位数字 4 位字母 3 位数字数据包头时间 帧标示 观测要素变量数 设备状态变量数14 位数字 2 位数字 2 位数字 2 位数字数据主体观测数据和质量控制 状态信息观测要素变量名 1观测要素变量值 1观测要素变量名 2观测要素变量值 2质量控制位信息段：设备状态变量名 1，设备状态变量值 1，设备状态变量名 2，设备状态变量值 2校验码 数据包尾4 位数字 ED（1） 起始位：包头，固定字段以“BG”表示，2 位字母。（2） 数据包头：固定字段，包含下列项目（3） 区站号（6 位数字）前面升位，后五位保持不变，现有站点首位加 8。新站按 000001 开始分段配置至 799999。预留段 900000999999；（4） 服务类型（2 位数字）以 00 代表基准站，01 代表基本站，02 代表一般站，03 代表区域气象站，04 交通气象站，第 18 页 共 21 页05 电力气象站，06 农业气象站，07 旅游气象站，08 海洋气象站，09 风能气象站，10 太阳能气象站，11 生态气象站，12 辐射气象站，13 便携站；（5） 设备标识位（4 位字母）传感器或某一设备类型，如自动气象站：YAWS，激光测云仪： YCCL，前向散射能见度仪，YFSV；（6） 设备 ID（3 位数字）用于区分同一个区站号台站中同类设备；如某站有两个激光云高仪，ID：000，ID ：001。（7） 时间（共 14 位）年月日时分秒，yyyyMMddhhmmss，20120706132519（8） 帧标示（2 位数字）如 00 代表秒数据，01 代表分钟数据，02 代表时数据，03 代表十分钟数据，04 代表十五分钟数据；（9） 观测要素变量数（2 位数字）0099，表示观测要素数量；如 03，标示 3 个观测要素。（10）设备状态变量数（2 位数字）0099，表示状态数量。如 28，标示有 28 个状态变量。数据主体：不定长字段，包含下列项目（1） 观测数据和质量控制观测要素变量名 1，观测要素变量值 1，观测要素变量名 2，观测要素变量值 2，质量控制位（一一对应观测要素变量值，采用新型自动气象站质量标识码，见附件 质量控制） 。（2） 状态信息信息编码：（1 位数字） ，09 根据状态变量名定义，见附件。信息段：设备状态变量名 1，设备状态变量值 1，设备状态变量名 2，设备状态变量值2，。（3） 校验码 采用 4 位数字：代表第 2、3 大项两部分数据校验和。（4） 数据包尾：固定字段 以“ED”表示，2 位字母。（5） 数据分割方式每个字段以英文半角“， ”分割。5.2 要素及状态信息说明观测要素变量名 说明AMA 分钟能见度AMAEX 小时最大能见度AMAEXT 小时最大能见度时间AMAEN 小时最小能见度AMAENT 小时最小能见度时间AMB 十分钟滑动能见度AMBMX 小时十分钟滑动最大能见度AMBMXT 小时十分钟滑动最大能见度时间AMBMN 小时十分钟滑动最小能见度AMBMNT 小时十分钟滑动最小能见度时间状态要素变量名 说明ZE1A 蓄电池电压：偏低（0） ，正常（1） ，停止（2）第 19 页 共 21 页5.3 示例（READDATA 命令）例如，前向散射能见度仪输出的数据格式为：完整数据BG,800001,00,YFSV,000,20161011154700,01,10,01,AMA,000245,AMAEX,000245,AMAEXT,1545,AMAEN,000245,AMAENT,1545,AMB,001245,AMBMX,0