多路气压检定系统的设计与实现

陆 扬，李 迪，朱 君，董立亭

(1.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省气象灾害防御技术中心， 贵州 贵阳 550002；3.重庆市气象局，重庆 404100)

0 引言

目前国内气象传感器的计量检定工作已基本实现自动化处理，但存在操作繁琐、效率低下、配套设备成本较高等情况。特别是在气压检定过程中，只能采用单路传输采集的方式，且数据读取、处理还依托于人工填写和计算，存在很大的人工误差隐患。因此，研制一种操作简便、稳定性好，可实现批量检测的自动气象站计量检定综合管理系统，对推动气象计量检定工作的自动化、规范化具有深远的意义[1]。

气象上使用的的气压传感器主要采用的是Vaisala的PTB220、PTB330两款型号的传感器[2]，该两款传感器均为智能传感器，直接输出RS232数字信号，现在主要采用单个检定方法，并人工进行记录数据，检定方式较为简单，费时费力，存在工作效率低、操作不便、存在人工误差等问题，本文研发的多路气压检定系统，该系统采用MOXA-Nport5650-8-DTL型号的串口服务器，提供了8个RS-232/422/485的三合一串口，最多实现8个气压传感器同时检定，改变一次只能检定一个气压传感器的现状，解决了气压传感器检定效率低的问题；可对检定数据进行处理，检定数据可存储、导出，改变气压检定数据仍采用人工记录的方式，排除了人工误差。多路气压检定系统还适用于市州级移动气象计量校准维修系统中的气压校准核查，可实现多路同时进行校准核查，便于市州局开展骨干站、区域站的校准工作，能够提高效率。

1 多路气压检定系统设计与实现

1.1 系统总体结构

多路气压检定系统分为硬件和软件两个部分，总体结构如图1所示。硬件部分：硬件采用MOXA-Nport5650-8-DTL型号串口服务器，该串口服务器能够提供8个RS-232/422/485的三合一串口，拥有多串口通信功能，通过硬件电路的设计与改造，可完成气压传感器的直接接入，实现8个气压传感器同时进行检定，为多路气压检定系统提供硬件支持。软件部分：基于Win7系统进行上位机软件设计，通过C#语言编写，设计出的上位机软件可以实现8个气压传感器的采集数据的存储、计算，实现对8个气压传感器的设置功能，包括参数设置、指令交互等。

1.2 系统硬件设计

多路气压检定系统的硬件部分主要由串口扩展模块、电源控制模块、串口服务器3个功能模块组成，其中串口扩展模块是采用专门串口扩展芯片进行并行串口扩展，此方法利用CPU并行数据线和地址线与串口芯片连接，将串口芯片作为外部UART使用，可同时接入多个气压传感器信号，并能够实时进行数据交互，通过并行口扩展的串口的方式简便、灵活，易于实现。电源模块控制模块：多路气压检定系统外部由12 V直流电源供电，其中串口服务器需要9～15 V直流供电，气压传感器需要12 V直流供电，因此直接采用交流220 V转直流12 V电源适配器进行直接供电，同时为8个气压传感器以及串口服务器供电，并对设备有电源保护的作用，当出现短路情况电源控制模块会自动断开；串口服务器实现的就是最核心的部分，通过在串口服务器中的Linux操作系统上安装Real COM驱动程序，可以将串口服务器上的实体串口映射到系统中去，通过以太网控制芯片实现串口到以太网数据的转换，这样通过一根网线就能够实现与电脑中上位机软件的实时通信，对气压传感器进行指令交互及参数设置[3]，如图2所示。

图2 多路气压检定系统硬件部分Fig.2 Multi-channel air pressure verification system hardware part

1.3 系统软件件设计

多路气压检定系统的软件部分需要主要是基于C#语言进行开发，实现上位机界面显示功能、数据通信功能、指令设置功能及数据存储功能。在打开上位机软件之前，必须安装MOXA串口服务器专用的串口驱动软件，即“NPort Administrator”，可实现对串口服务器的相关设置，主要设置串口服务器的IP 地址、串口通讯协议、串口操作模式及串口编号等，如图3所示，点击“Configuration” 进入参数修改界面，一般修改串口服务器的IP地址使其和PC机对应的网卡IP地址在同一网段后，点击“Com Mapping”进行端口映射，是将串口服务器对应的端口号映射成PC机上的串口号，最后点击”Apply”完成映射，上位机软件就能够利用与串口服务器匹配的虚拟串口号进行数据交互。

图3 NPort Administrator界面Fig.3 NPort Administrator interface

上位机界面显示功能利用界面设计将8串口数据收发同时显示在软件界面中，方便技术人员进行操作及使用，如图4所示，气压检定的数据会显示在1～8每个气压检定窗口的数据接收区。

图4 多路气压检定系统软件界面Fig.4 multi-channel air pressure verification system software interface

数据通信功能及指令相互功能是通过上位机中单个气压检定数据收发功能模块实现，如图5所示，可以配置传感器通信参数，显示接收数据，发送调试指令等。

图5 单个气压检定数据收发功能模块Fig.5 Single air pressure verification data transceiver function module

数据存储功能是实时的将所接收到的气压检定数据进行存储，数据存储的方式按气压检定端口及时间进行存储(年月日)，软件中可以对数据存储路径进行设置及存储路径的查询，方便技术人员操作，如图6所示。

图6 数据存储功能模块Fig.6 data storage function module

2 系统测试

经过系统的软硬件设计、调试后，设计出了多路气压检定系统样机，如图7和图8所示。

图7 多路气压检定系统样机外观Fig.7 Multi-channel air pressure verification system prototype appearance

图8 测试中的多路气压检定系统Fig.8 Multi-channel air pressure verification system in the test

系统测试是多路气压检定系统开发的重要部分，也是产品应用前必须经历的一个环节。多路气压检定系统软硬件设计、调试完成后，为了保证系统在气象业务中稳定运行，必须要进行系统样机的测试工作。

2.1 测试内容及测试条件

在测试多路气压检定系统时，要保证其功能的正确性，包括端口参数配置测试、多路数据传输测试、数据存储功能及稳定性等。

测试条件包括一台笔记本电脑、上位机软件、气压传感器及本系统，直接将气压传感器接入多路气压检定系统进行数据采集及指令交互[4]。

2.2 功能验证

2.2.1 端口参数配置测试 通过多路气压检定系统软件上位机软件可以打开与各气压传感器对应的数据收发功能模块，可直接进行通信端口参数配置，配置成功后可实现指令交互，如图9所示，发送指令‘R+回车’，气压传感器的采集数据直接返回至接收区。

图9 端口参数配置测试Fig.9 port parameter configuration test

2.2.2 多路数据传输测试 同时接入多个气压传感器进行测试，端口参数进行正确配置后发送指令‘R+回车’，接收各气压传感器实时数据，如图10所示。

图10 多路数据传输测试Fig.10 Multi-channel data transmission test

2.2.3 数据存储功能 数据接收后数据文件按照路径进行存储，存储方式自动按照各气压传感器编号及年月日进行分类，最终以TXT文件的形式进行存储，如图11所示。

图11 数据存储功能Fig.11 Data storage function

2.3 系统稳定性测试

测试条件：多路气压检定系统接入8个气压传感器进行检定，气压标准器分别输入500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa测试点，接入后系统不断电工作100 h，测试系统是否发生死机；针对每个测试点随机抽样10组数据进行计算，观察误差值波动度，判断检定数据是否出现跳变，是否能够稳定采集[5]。

测试结果：系统能够稳定运行，未出现死机情况；检点数据未出现较大波动，如表1所示。

表1 抽样数据误差Tab.1 Sample data error

3 系统应用情况

本次设计完成了多路气压检定系统的所有基本功能，实现了8个气压传感器检定数据的同时采集、传输、存储，提高了检定效率，改变气压传感器的检定现状，排除了人工检定带来的误差。多路气压检定系统的设计与实现对气压传感器计量检定工作的自动化、规范化具有重要意义。