周開月，宋春華，韋興平

（西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，成都 610000）

20世紀(jì)末以來，隨著電子、信息和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，氣壓測量裝備進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。其要求和難點(diǎn)都是準(zhǔn)確度高，且變量非常小。世界氣象組織在1990年第十次大會上給出了氣象觀測對氣象儀器測量誤差要求的目標(biāo)，其中對地面氣象觀測的誤差規(guī)定為±0.1 hPa。在2011年，國內(nèi)軍用級地面氣壓儀的準(zhǔn)確度普遍在±0.5～±1.2 hPa，遠(yuǎn)不能滿足精度要求[1]。

在研制的基于ARM的氣壓測量系統(tǒng)中，集成了采集、計(jì)算、面向?qū)ο蟛僮?、顯示和主從機(jī)數(shù)據(jù)接收發(fā)送的功能，相對于傳統(tǒng)氣壓測量裝置的笨重、調(diào)試不便和需外置通訊裝置等缺點(diǎn)，不僅體積小、可利用觸摸屏隨時(shí)修正參數(shù)，還將所有功能集成在一塊電路板上，具有集成度高、精度高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)和使用方便的特點(diǎn)，適合工程應(yīng)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該氣壓測量系統(tǒng)主要由ADUC7026處理器、溫度/頻率傳感器、信號調(diào)理電路、觸摸屏顯示器和485通訊電路等部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

CPU采用了ARM7系列的ADUC7026芯片，片內(nèi)集成了12位、多通道高性能ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；其中包含2個32位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器（不使用FD專用集成電路時(shí)的誤差為2 Hz左右），可以較為恰當(dāng)?shù)卮钆鋫鞲衅鞯南嚓P(guān)性能。片內(nèi)集成的非易失性Flash/EE存儲器可以隨時(shí)保存實(shí)際調(diào)試中的參數(shù)設(shè)定。芯片的工作溫度范圍為-40℃～+125℃[2]。

通過片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的設(shè)定和支持長乘法的特性，可以滿足系統(tǒng)對于高精度的要求。芯片使用開發(fā)環(huán)境，降低了開發(fā)成本，使該芯片廣泛應(yīng)用于精密儀器中。

顯示器采用了分辨率為240×320的彩色觸摸屏，不僅提供了數(shù)據(jù)的可視化，還為測量過程中的參數(shù)調(diào)整提供了便利。顯示器使用ILI9325控制驅(qū)動，根據(jù)實(shí)際需要選擇8路并行數(shù)據(jù)接口與芯片的P3口直接相連，通過XPT2046芯片來讀取屏幕上的AD變化且讀取出坐標(biāo)（x，y），從而在GUI上實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定。

傳感器則采用了某振動筒式壓力傳感器，當(dāng)被測介質(zhì)（大氣或標(biāo)準(zhǔn)空氣）進(jìn)入振動筒壓力傳感器后，在振動筒內(nèi)產(chǎn)生諧波，其頻率信號經(jīng)過放大器放大后輸入到FDC轉(zhuǎn)換電路。振動筒的諧振動頻率fp是壓力P和環(huán)境溫度T的函數(shù)，即：

1.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

ADUC7026的內(nèi)置ADC為一款基于兩個電容DAC的12位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入信號的配置不同，ADC可以在三種不同的模式下工作：①全差分模式，用于小信號和平衡信號；②單端模式，用于任意單端信號；③偽差分模式，用于任何單端信號輸入，可以較好的抑制共模信號。本系統(tǒng)使用偽差分模式。在這種模式下，ADC模擬輸入范圍為0 V～Vref。同時(shí)，片內(nèi)提供了一個高精度、低漂移、工廠校準(zhǔn)的2.5 V基準(zhǔn)電壓源[2]。

首先傳感器將采集到的模擬電壓值和頻率信號分為兩路分別傳給電壓信號調(diào)理電路和頻率處理專用芯片。其中的電壓信號經(jīng)過分壓、濾波、二次濾波和單路精密放大，在穩(wěn)定電源的條件下可形成一個平穩(wěn)、無毛刺的模擬信號，此時(shí)將信號送入CPU進(jìn)行片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換，即可得到：

其中：A為經(jīng)過處理的模擬電壓值；H為分壓系數(shù)；M為放大系數(shù)（此處為1），A?為最后得到的實(shí)際電壓值。

考慮到實(shí)際中溫度的變化不太可能出現(xiàn)急劇的變化（如表1所示，為不同溫度環(huán)境下傳感器的電壓輸出測試結(jié)果，此表說明電壓變化范圍大概在4.8～7.6 V之間），為了增大采集和轉(zhuǎn)換精度，可以適當(dāng)降低其實(shí)時(shí)性，對轉(zhuǎn)換過的電壓值進(jìn)行取本次10%和上一次90%的軟件濾波操作。這樣做的目的是：有效減少電路設(shè)計(jì)和電壓源的不穩(wěn)定性對AD轉(zhuǎn)換精度造成的影響。

表1 不同溫度下測得的電壓值Tab.1 Voltage values at different temperatures

接下來再對電壓值進(jìn)行一階系數(shù)修正：為達(dá)到實(shí)際使用要求，將環(huán)境溫度范圍設(shè)定在-20℃～60℃，利用穩(wěn)壓電源可以將精確測得的實(shí)際電壓值y輸出給采集電路，待電壓穩(wěn)定后在顯示器上讀取電壓的計(jì)算值x，利用式（3）即可計(jì)算出兩者之間的線性關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電壓的線性修正Tab.2 Linear correction of voltage

線性度如圖2所示，其線性關(guān)系基本呈一條直線，由此可見一階系數(shù)修正已經(jīng)可以滿足一般溫度變化的精度要求。以上運(yùn)算在中斷程序中進(jìn)行，大約耗時(shí)8 ms。

圖2 電壓的線性度Fig.2 Linearity of voltage

1.2 F/D轉(zhuǎn)換模塊

對于頻率量的測量一般分為測頻法和測周法。為了提高測量精度，本設(shè)計(jì)采用專用集成電路的軟硬件測周法。原理如式（4），采用增量的形式表示：

其中：Ni+1和Ni分別為第i+1、i次采集周期的高頻計(jì)數(shù)值；ni+1和ni分別為第i+1、i次采集周期的低頻計(jì)數(shù)值；t0為標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖周期值[3-4]。

測頻芯片兩次同時(shí)對高、低頻數(shù)進(jìn)行采樣，并求出其增量，然后求出低頻的周期值。本系統(tǒng)將N和n對應(yīng)的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成循環(huán)計(jì)數(shù)器，分別對標(biāo)準(zhǔn)的高頻時(shí)鐘脈沖和被測頻率的脈沖數(shù)進(jìn)行連續(xù)循環(huán)計(jì)數(shù)，保證同時(shí)采到高低頻數(shù)，且第i次和第i+1次都是在低頻脈沖的完整周期內(nèi)采樣。此過程在軟件中斷中完成，耗時(shí)大約10 ms。

F/D轉(zhuǎn)換電路把傳感器的頻率信號數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器周期的測量，然后CPU讀取F/D、A/D模塊轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)，并按所采樣的F/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，計(jì)算出壓力傳感器的諧振周期，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊的采樣值計(jì)算出溫度電壓和修正壓力值，然后根據(jù)周期、溫度和修正壓力值可計(jì)算出壓力數(shù)據(jù)和氣壓高度。壓力和氣壓高度數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過ADUC7026的并行輸出口傳送到顯示器上，并通過485發(fā)送。

實(shí)際中，頻率的變動對計(jì)算出的氣壓結(jié)果有很大影響，2 Hz的波動就可引起氣壓上百Pa的起伏。同時(shí)，軟件對氣壓量每次的采集和計(jì)算大約耗時(shí)20 ms，即采集速率為50次/s，采集思路為

1.3 MODBUS通訊模塊

MODBUS可編程控制器之間可相互通訊，也可與不同網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備進(jìn)行通訊。本設(shè)計(jì)采用RTU模式，相對于ASCII模式，速度更快，準(zhǔn)確度更高。RTU幀的從機(jī)發(fā)送格式如表3所示，其中N表示需要發(fā)送的數(shù)據(jù)個數(shù)。

表3 RTU幀的格式Tab.3 Frame format of RTU

這里需要指出的是，為保證發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)際中在向COMTX寄存器裝數(shù)時(shí)應(yīng)該在以上字節(jié)總和的基礎(chǔ)上再加1，即發(fā)送15個字節(jié)，實(shí)際收到的有效字節(jié)為14個。

鑒于此測試系統(tǒng)的實(shí)際用途，將此系統(tǒng)設(shè)置為從機(jī)模式：即接收到主機(jī)的指令后才發(fā)送數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，將主機(jī)端數(shù)據(jù)的自動發(fā)送速度設(shè)置為200 ms一次，在接收到1288個字節(jié)（即56次數(shù)據(jù)）時(shí)，發(fā)送756個字節(jié)（即54次數(shù)據(jù)），丟包率僅為3.5%左右，滿足工程要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)

為了達(dá)到對接收數(shù)據(jù)的快速響應(yīng)，在正常工作模式下采用查詢方式處理通訊模塊。同時(shí)，在沒有查詢到正確數(shù)據(jù)時(shí)，在中斷方式內(nèi)進(jìn)行電壓值和頻率值的采集和計(jì)算，設(shè)定中斷間隔為20 ms一次（計(jì)算電壓和頻率的時(shí)間大約有18 ms）?？紤]到顯示器不需要實(shí)時(shí)對計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，可以通過軟件計(jì)數(shù)方式來對氣壓和高度進(jìn)行不同時(shí)間間隔的更新。軟件框圖如圖3所示。

圖3 程序框圖Fig.3 Block diagram of program

2.2 氣壓和高度計(jì)算

根據(jù)式（1），則可得到：

再根據(jù)式（2）得出電壓后，根據(jù)式（6）即可得到高度H[5]：

式中：H為幾何高度；T0為海平面高度；T為溫度梯度；P為H處的大氣壓強(qiáng)；P0為海平面大氣壓強(qiáng)；R為宇宙氣體常數(shù)；m為空氣分子重量；g為重力加速度。

另外，在風(fēng)電場氣壓監(jiān)測系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)可以作為一維向量加入到基于支持向量機(jī)的風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測的運(yùn)算中，為風(fēng)電場的運(yùn)行提供決策支持。

經(jīng)過對數(shù)據(jù)標(biāo)定分析后，采用分段線性計(jì)算對氣壓進(jìn)行運(yùn)算，得到其測量范圍為（50～130）kPa，精度為±0.03%FS，分辨率為0.01 hPa。無論是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，都已經(jīng)完全達(dá)到甚至超出國家氣象局對氣壓測量的要求[6]。

3 結(jié)語

該測量系統(tǒng)已經(jīng)成功研制出第一代產(chǎn)品并應(yīng)用于地面壓力測試中，通過地面實(shí)驗(yàn)，最終計(jì)算出的高度數(shù)據(jù)與實(shí)際壓力得出的高度之間的相對誤差僅為0.008%。同時(shí)，芯片的工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)也可以使其在惡劣環(huán)境下執(zhí)行高精度氣象數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。

[1] 姜明波.氣壓測量儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展[C]//2011年底氣象水文海洋儀器學(xué)術(shù)交流會，2011.

[2] 孫來軍.ADUC7026原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 楊雷，李廣明，康麗，等.基于多周期測量方法的氣壓傳感器信號采集[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（4）：687-691.

[4] 史利劍，王永生.一種簡易無人機(jī)載大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2005，25（6）：70-72.

[5] 禤家裕，裴海龍.一種小型無人機(jī)高度定位方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀表，2010，25（12）：1-6.

[6] 國家氣象局.地面有線綜合遙測氣象儀觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2001.■