基于STM32的高精度车载气压高度表设计*

余德文，李锦云，李 斐

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074)

基于STM32的高精度车载气压高度表设计*

余德文，李锦云，李 斐

(华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074)

针对车载气压高度表对跨地域、长时间运行的高精度以及系统小型化、界面友好化等要求，设计了基于STM32硬件平台的车载气压高度表系统。系统中采用高精度硅压阻式压力传感器，皮托管及相关管路组成气路系统实现大气压静压的采集，并通过嵌入式实时操作系统μC/OS—II和图形用户界面μC/GUI实现基于多任务的界面显示。实验结果表明：经实时校正后的车载气压高度表在长时间运行时测量精度优于1.2 m，具有较高的测量精度，能很好地满足气压高度表车载应用的高精度高度定位要求。

实时校正；车载；气压高度表；气路系统

0 引 言

气压高度表是测量载体当前高度的一种重要仪表，已被广泛应用于航空测试系统等相关领域[1]。国内外气压测高技术已取得大量科研成果，气压测高精度也已得到有效提高，但目前气压高度测量多应用于飞行器的垂直高度测量，具有结构复杂、体积大等问题。而车载气压高度表具有跨地域、运行时间长、空间有限等特点[2,3]，因此，对气压高度表长时间运行精度和系统小型化等特性提出了更高的要求。

针对以上问题，本系统中车载气压高度表系统采用STM32微控制器和高精度硅压阻式压力传感器组成系统硬件平台，并通过基准点提供的气压和温度数据对车载气压高度表进行实时校正，以减小气压高度表随区域和时间变化而引起的变化，将气压高度表从机载应用领域拓展到车载及其它陆地应用场合，为建立基于气压测高原理的陆用高精度高度定位系统奠定基础。

1 气压高度表原理

1.1 气压测高原理

气压高度表是基于大气压随高度的增加而不断减小的原理，通过测量环境大气在重力作用下的静压，并根据静力学方程来测量高度的一种间接仪表。在符合《国际标准ISO 2533—标准大气》规定的国际标准大气条件下，有如下压高公式[4]

(1)

式中p0为标准海平面气压，国际标准大气条件下p0=101.325 kPa；T0为标准海平面温度，国际标准大气条件下T0=288.15 K；H0为标准海平面高度，绝对高度测量中H0=0；β为大气温度垂直梯度，国际标准大气条件下，在气压高度表车载应用领域中β=-6.5 ℃/km。

1.2 原理误差与补偿

当某已知海拔高度为Ha的点a的气压、温度分别为pa，Ta，利用式(1)测得标准气压高度为H0时，通过下式对原理误差进行补偿[6]

=ΔHp0+ΔHT0+ΔHβ.

(2)

在忽略实际温度垂直梯度与标准温度梯度引起的误差下有

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 车载气压高度表实时校正

大气压受外界环境、海拔高度以及纬度等因素影响，同一地区，一昼夜内，在9～10时和21～22时有2个峰值，在3～4时和15～16时有2个谷值，24 h内气压变化可达3～5 hPa，相应高度变化大约为27～45 m[2]。故车载气压高度表在长时间或跨地域运行时必须进行多次校正以获得较高测量精度。

为了减小车载气压高度表随环境条件变化的影响，保证其在跨地域、长时间运行时的精度，可通过基准点提供的气压与温度数据，对车载气压高度表进行实时校正实现[7]，主要步骤如下：

1)获得当前区域内基准站的海拔高度及其发布的气压和温度数据。

3)修正式(1)的压高公式为

(7)

4)利用车载气压高度表测量的大气静压和式(7)计算高度表载体的当前绝对高度。

2 高精度车载气压高度表系统设计

2.1 系统框图

高精度车载气压高度表系统框图如图1所示。系统采用硅压阻式压力传感器和温度传感器采集大气静压和温度信号，经整形与滤波后，通过A/D转换器由STM32控制器处理。STM32控制器通过串口或触摸屏手动输入获得修正海平面气压和温度等相关校正信息。高度测量结果通过LCD现场显示或通过串口通信输入上位机。

图1 高精度车载气压高度表系统框图Fig 1 Block diagram of high precision vehicle-oriented barometric altimeter system

2.2 气路系统设计

由流体力学可知，流体在运动时会产生动压，此时测量压力(全压)为动压和静压之和。而气压高度表是通过大气静压原理实现高度测量的，因此，气路系统的设计在车载气压高度表系统中有着至关重要的作用[8]。

本系统设计的车载气压高度表采用如图2所示的气路系统。图中皮托管安装在车顶，并使进气口与车前进方向相一致，皮托管的全压和静压出气口通过尼龙管组成的管路送相应的压力传感器。由于本车载气压高度表系统不需要通过测量动压来获得车的运动速度，故实际中只对图2中的静压进行了相关测量。

图2 车载气压高度表气路系统Fig 2 Gas path system of vehicle-oriented barometric altimeter

2.3 车载气压高度表界面设计

μC/GUI是由美国Micrium公司开发的一种通用嵌入式图形用户界面软件，它可以为任何图形LCD提供不依赖于处理器和LCD控制器的具有类似Windows界面风格的图形用户接口。由于其100 %采用ANSI C编写，使得μC/GUI适用于所有的CPU。

本车载气压高度表系统中采用320像素×240像素的256色彩色TFTLCD，并通过在STM32硬件平台上移植嵌入式实时操作系统μC/OS-II和μC/GUI实现基于多任务的系统GUI设计[9,10]，最后制作并移植中文字库以实现汉字显示功能[11]。

利用μC/GUI设计了车载气压高度表主界面和仪表模式界面。在主界面模式下用户可手动输入参考点的气压、温度以及高度等相关信息以实现气压高度表的校正。在仪表模式下，通过GUI界面设计实现对真实仪表盘的模拟，以使界面更为直观与友好。

3 实验测试与分析

图3(a),(b)为2012年7月至8月某时间段内，对同一地点固定高度处进行现场数据采集获得的气压和温度。图3(c),(d)为在以气象台发布的气压和温度数据进行校正的实验条件下，利用式(5)和式(6)计算得到的修正海平面气压和温度。实验中，由于无法准确获知车载气压高度表系统平台和气象台的准确高度，实验采用气象台提供的数据信息计算得到的修正海平面气压，进行实时校正后，求相邻2次测量高度差，以判断本系统中的车载气压高度表系统精度。图3(e)即为高度差曲线。分析图3(e)可知，利用气象台提供的气压和温度数据信息进行气压高度表实时校正后，相邻2次测量高度差保持在约±10 m以内，且不随时间变化伴随的气压变化而发生大的波动。该误差主要由于气象台提供的气压值以1 hPa为分辨率(相应高度分辨率约为9 m)，且1 h仅更新1次引起。故在忽略气象台数据精度影响下，经实时校正后的车载气压高度表长时间运行时，高度测量精度能够保持在1 m左右。

图3 气象台数据实验条件下测量结果Fig 3 Experimental result under condition of meteorological data

为进一步验证图1所示的车载气压高度表系统精度，利用研制的车载气压高度表系统在气压不发生明显变化的短时间内，对某已知海拔高度的建筑物进行单一基准点楼层相对高度测量。在建筑物第一层采用气压高度表当前测量气压和温度值作为基准点的气压和温度，测量结果如图4所示。由图4(c)可知，本系统设计的车载气压高度表测高精度优于1.2 m，具有较高的测量精度。

图4 楼层高度测量Fig 4 Measurement of floor height

4 结 论

1)利用μC/GUI设计的车载气压高度表界面友好，尤其是仪表模式界面能够很好地满足用户的车载仪表使用习惯。

2)实验数据表明:本系统设计的车载气压高度表不仅在短时间内有较高精度，在忽略用于校正的基准点自身数据精度的影响下，经实时校正后，在长时间运行条件下，同样能获得较高测量精度，能够很好地满足车载气压高度表跨地域、长时间运行的工况要求，为建立基于气压测高原理的陆用高精度高度定位系统应用奠定了基础。

[1] 魏晓红，苑景春，刘建丰.气压高度表温变环境下的误差建模研究[J].战术导弹技术，2011，3(2)：94-97.

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Design of high precision vehicle-oriented barometric altimeter based on STM32*

YU De-wen, LI Jin-yun, LI Fei

(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at requirements of high precision during cross region and long time running,system miniaturization,and user interface friendly,a vehicle-oriented barometric altimeter system based on STM32 hardware platform is designed.In this system,high precision silicon piezoresistive pressure sensors,pitot tube and related pipeline is used to make up of gas path system for air static pressure sampling, and through embedded real time operating system(RTOS)μC/OS-II and graphical user interface(GUI)μC/GUI,realize displaying of user interface based on multitask.Experimental results show that after being real time calibrated,vehicle-oriented barometric altimeter for long time running has high measurement precision prior to 1.2 m which well meets the height positioning precision requirement for barometric altimeter used by vehicles.

real time calibration; vehicle-oriented; barometric altimeter；gas path system

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0058—03

2014—03—06

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110142120002)

TH 73；TP 274.2

A

1000—9787(2014)10—0058—03

余德文(1986- )，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统研究与开发。