通用型探空仪基测箱

2014-12-18马林孙宝京郭延松

现代电子技术 2014年24期

马林+孙宝京+郭延松

摘要：针对由于目前我国高空气象探测使用的探空仪基测箱不通用，而引起的基测箱配发重复、资源浪费等问题，首次提出设计一种通用型探空仪基测箱。采用低功耗、高精度的传感器测量气温、气压，通过DSP完成各气象要素的采集、计算和电路控制，使用FPGA完成逻辑、接口和显示控制等功能，设计电源变换电路为8种型号探空仪提供工作电源。通过测试表明通用型探空仪基测箱测量精度满足设计指标要求，可为多型探空仪提供基值测定功能，具有广阔的推广前景。

关键词：探空仪; 传感器; 气温; 高空探测; 基值测定

中图分类号： TN06?34; TH765 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）24?0112?03

General type basic value measurement box for sonde

MA Lin， SUN Bao?jing， GUO Yan?song

（Department of Electron Reconnaissance， Shenyang Artillery Academy of PLA， Shenyang 110867， China）

Abstract： Since the basic value measurement box for radiosonde currently used in Chinese high?altitude meteorological sounding is not common， which causes repeated allotment and waste of resources， the design of a general type basic value measurement box for sonde is proposed in this paper. The low power consumption and high precision sensor are used in the box to measure the atmospheric temperature and pressure. Acquisition and calculation of the meteorological factors， and circuit control are accomplished by the aid of DSP. logic， interface and display control functions are completed by FPGA . A power conversion circuit is designed to provide power supply for 8 models radiosondes. The testing results show the accuracy of the general type basic value measurement box for sonde can meet its design requirements， provide basic value measurement for multi?type radiosondes， and has a broad prospect for promotion.

Keywords： radiosonde; sensor; air temperature; aerological sounding; basic value measurement

0 引言

无线电探空仪是测量空中气压、温度、湿度等大气参数，并将其测量值通过无线电信号传回地面的仪器，简称探空仪[1]，是炮兵防空兵气象分队实施高空气象探测的必备仪器。根据国际气象组织对高空气象探测的有关规定，探空仪在施放前必须进行基值测定，即将探空仪测定的地面气温、气压和相对湿度与标准仪器测定的地面气温、气压和相对湿度进行比较，以确定探空仪传感器的基点变化是否在允许范围内[2]。探空仪基测箱就是用于完成探空仪基值测定，提供地面气温、气压和相对湿度的标准仪器。

由于目前我国高空气象探测使用的探空仪型号较多，而探空仪基测箱不通用，造成了气象台站需要装备多种型号的探空仪基测箱，既浪费了资源又提高了操作难度。因此研发一种通用型探空仪基测箱是十分必要的。

1 总体设计

通用型探空仪基测箱主要由6个部分组成，分别为主控制模块、传感器模块、电源管理模块、显示模块、键盘和基测箱体。系统组成如图1所示。

主控制模块主要完成气象要素采集、计算、数据存储、通信管理，完成对键盘、显示模块、传感器模块等部分的逻辑控制。传感器模块主要由用于测量气温、气压等气象要素的传感器，模拟/数字转换电路和用于固定、连接传感器的基座组成。电源管理模块主要实现系统交流/直流供电管理和主控制模块的电源转换，为满足多种型号探空仪基值测定需要还提供了多种型号探空仪的工作电源。显示模块用于测量结果查看和探空仪种类选择等人机交互界面显示。键盘用于选择待检测探空仪种类、测量方式和测量数据。基测箱体提供探空仪基值测定相对封闭、稳定的作业环境。

2 硬件设计

2.1 主控制模块设计

主控制模块是系统的核心，主要完成待检测探空仪型号选择、数据计算、通信管理以及对键盘、显示、数据采集通道开关等逻辑控制。它由数字信号处理器DSP和可编程门阵列FPGA以及RAM、串行E2PROM、测量接口控制电路等组成。DSP选用TI公司16位定点数字信号处理器TMS320LF2407，它是TI家族C2000系列中的高档产品，集实时处理和控制器外设于一身，非常适合于工业控制[3]。该DSP有两种低功耗电源管理模式，支持有条件唤醒低功耗模式和返回功能，其中其低功耗电源管理模式可降低系统功耗，满足电池供电模式要求。主控制模块的程序存储器为DSP内置FLASH，当通用型探空仪基测箱加电后，程序代码由程序存储器装载入两片16位1 Mb容量的高速动态RAM，DSP在高速RAM中运行程序代码。主控制模块电路如图2所示。

主控制模块中的FPGA选用低功耗ACEX1K50器件，该器件由逻辑阵列块、嵌入式阵列块、快速互联以及I/O单元构成[4]。为实现主控制模块内部逻辑，在FPGA内设计了显示模块接口、键盘接口和传感器模块测量接口等逻辑，可通过键盘选择探空仪的型号自适应转换测量接口，实现对多种型号探空仪的检测。主控制模块采用容量为512 KB的E2PROM为数据存储区，用于存放系统信息、传感器参数、修正结果等非易失数据，并可通过软件在线读写。串行通信使用DSP内置的SCI模块，实现与PC的数据通信操作，包括系统参数的读/写、结果的修正、数据的提取等。

2.2 传感器模块设计

传感器模块主要用于测量气压、干球温度、湿球温度、基测瓶气温等气象要素的测量。温度传感器采用北京国瑞智新技术公司生产的测量范围为-200～650 °C的PT100型铂电阻[5?6]，气压传感器采用北京国瑞智新技术公司生产的测量范围为100～1 100 hPa的GY?110R型压力传感器。A/D转换模块采用TI公司出品的转换速率为100 kHz的ADS8343芯片，该芯片具有低电压、低功耗、高速、低噪声、高精度等特点[7?9]。该芯片为4通道16位串行输出器件，可以实现四通道单端输入或两通道差分输入，本设计中的采用单端输入方式，基准电压为2.5 V。

传感器模块中，温度传感器的标准电阻和铂电阻电压测量点接入模拟/数字芯片的通道2，通过主控制模块控制标准电阻和铂电阻的测量通道选择。测量时，主控制模块通过模拟开关选择测量通道，并使电源管理模块提供的电流流经被选择通道的电阻，经过ms级等待后，打开模拟/数字通道，进行采样。温度传感器中的标准电阻和铂电阻使用同一个差分放大电路和A/D通道，以避免由于通道不平衡引起的测量误差。气压传感器采用FPGA分频的32 kHz时钟作为工作时钟，通过时钟触发气压传感器进行采样转换，经过毫秒级等待后，进行结果读取。每次采样转换都需要气压测量原始值和气压附温原始值。

2.3 电源管理模块设计

电源管理模块主要用于为通用型探空仪基测箱提供工作所必须的电源。包括为DSP，FPGA，传感器，模拟开关等器件提供电源，为多型探空仪提供工作电源，并能够完成交流/直流供电管理功能。

电源管理模块主要依靠开关电源和电源变换电路来实现不同供电电压的提供。该模块共包括14 V、

-14 V、12 V、-12 V和18 V五种开关电源，经过电源变换电路变换后，提供±12 V供2型探空仪使用，18 V供Ⅰ型探空仪使用，30 V供Ⅰ型探空仪使用，±12 V供Ⅱ型探空仪使用，14 V和-4 V供Ⅱ型探空仪使用。

3 软件设计

3.1 主程序设计

主程序是通用型探空仪基测箱软件的核心和主线，主程序启动后首先进行初始化工作，然后进行运行前的准备工作，最后转入死循环，通过中断触发、时间标志等方式进行工作。初始化工作包括对主控制模块、显示模块和传感器等模块的初始化设置。运行前准备工作包括系统变量的初始化、探空仪检测型号选取、系统参数和传感器参数的读取等。

3.2 温度测量程序设计

温度测量程序启动后分别读取标准电阻和铂电阻上的电压值，根据得到的电压值查询预存在DSP中的对照表，用插值方式计算出对应温度值。为保证结果的准确性，采用多次测量取平均的方式来减小测量误差。温度测量程序中采用连续采集6组数据的平均值作为一次瞬时值，再取最临近8次的瞬时值的平均值作为最终测量值。

3.3 气压测量程序设计

由于气压传感器对温度有很强的敏感性，气压测量程序启动后首先读取气压传感器内置气温传感器的温度值和气压原始值，再根据气压传感器的温度补偿系数须对所测气压原始值进行温度补偿。根据600～1 100 hPa范围内的气压传感器的测量误差系数，采用线性插值的方法得到温度补偿后气压值的测量误差，并用温度补偿后的气压值和测量误差之和作为气压临时值。最后采用连续采集的8组气压临时值的平均值作为一次瞬时值，再取最临近10次的瞬时值的平均值作为最终测量值。

3.4 湿度测量程序设计

通用型探空仪基测箱采用干湿球方法测量相对湿度。气温测量程序和气压测量程序分别测量并获取干球温度、湿球温度和气压后，湿度测量程序将干球温度、湿球温度和气压值分别带入式（1）计算相对湿度：

[U=E（tw）-A?P?（td-tw）E（td）×100%] （1）

式中：[E（tw）]为湿球温度下的饱和水汽压;[E（td）]为干球温度下的饱和水汽压;[P]为气压;[A]为干湿球系数，[A]=0.000 76。

湿度测量程序计算饱和水汽压时，根据湿球是否结冰选择不同的算法计算湿球温度相应的饱和水汽压。湿球未结冰时选择水平液面的饱和水汽压公式，结冰时选择水平冰面的饱和水汽压[10]。

水平液面饱和水汽压：

[lgEw（t）=10.795 86（1-T0（K+t））-5.028 08lg（（K+t）T0）+ 1.504 75×10-4×1-10-8.296 9（（K+t）/T0-1）+ 0.428 73×10-3×104.769 55（1-T0/（K+t））+0.786 14] （2）

水平冰面饱和水汽压：

[lgEi（t）=9.096 936（1-T0（K+t））- 3.566 54lg（T0（K+t））+ 0.876 82（1-（K+t）T0）+0.786 14] （3）

式中：[Ew（t）]为水平液面饱和水汽压;[Ei（t）]为水平冰面饱和水汽压;[T0]为水的三项点温度273.16 ℃;[K]为绝对零度273.15 ℃。

3.5 键盘程序设计

通用型探空仪基测箱共设计了4个按键，分别为：“选型”、“切换”、“确定”、“照明”。每个按键分配一根状态线与FPGA连接，在FPGA中完成触发中断、按键削抖、键位译码等键盘控制逻辑。当键盘有操作时，键盘程序响应键盘中断，首先读取键值，判断键值有效性，对于无效按键操作放弃，然后转入各个按键的实际操作服务函数，实现按键功能，最后恢复现场，转入系统其他事务执行状态。

4 系统测试

通用型探空仪基测箱经过计量检定后，分别以二等空气温度标准装置和二等气压标准装置作为测试设备对通用型探空仪基测箱进行测试。其中二等空气温度标准装置由RCY?2型数字式铂电阻测温仪和RTS?60C型恒温槽组成，二等气压标准装置由745?23A型数字压力标准器和气压检定箱及温度系数检定箱组成。测试中各采取8个采样点并进行数据分析和处理，测试数据见表1。

表1 通用型探空仪基测箱测试数据

从表1中可以看出通用型探空仪基测箱温度测量满足测量范围：-20～50 ℃、测量误差：±0.2 ℃的指标要求;气压测量满足测量范围：650～1 060 hPa、测量误差：±0.6 hPa的指标要求。测试结果表明通用型探空仪基测箱各气象要素测量准确，可以作为标准仪器为探空仪基值测定提供准确的气象要素。

5 结语

本文介绍了通用型探空仪基测箱的硬件和软件设计，利用DSP速度快、定时精确、计算精度高等优点，实现了气温、气压和湿度的精确测量。通过系统测试表明，该通用型探空仪基测箱气象要素测量准确可靠，为探空仪基值测定提供了一种通用的标准仪器。

参考文献

[1] 李福林.军事气象[M].北京：中国大百科全书，2010.

[2] 总参谋部.中国人民解放军高空气象探测规范[M].北京：解放军出版社，2004.

[3] 张育斌，王万成，王志琴，等.基于DSP的仓储式立体车库控制系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（3）：648?650.

[4] 李桂花，乔为民，敬岚.基于ACEX1K50的HIRFL?CSR同步处理器设计[J].原子能科学技术，2011，45（7）：856?859.

[5] 杨镇博，张加宏，吴雨生.基于Atmega16单片机的微型气象探测系统设计[J].现代电子技术，2013，36（11）：106?109.

[6] 冒晓莉，杨博，张加宏.基于MSP430单片机的便携式气象仪设计[J].现代电子技术，2013，36（10）：142?146.

[7] 王明明，王志霖，袁昊，等.基于MSP430的实用粮仓温湿度检测系统[J].现代电子技术，2012，35（2）：10?12.