徐 偉，行鴻彥

(1．江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044；2．江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044)

0 引言

自動(dòng)氣象站廣泛應(yīng)用于氣象、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域。我國(guó)氣象部門(mén)已裝備6萬(wàn)余臺(tái)自動(dòng)氣象站，主要型號(hào)有：CAWS600、ZQZ-F、DYYZII、DZZ2以及第二代氣象站ZQZ-BH、CAWS3000等[1]。自動(dòng)氣象站主要由數(shù)據(jù)采集器和多個(gè)氣象傳感器組成，采集器的處理性能直接影響數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量。采集器主要由主控制器和氣象要素信號(hào)調(diào)理電路組成，溫漂和干擾常導(dǎo)致測(cè)量誤差增大[1-2]。氣象部門(mén)規(guī)定自動(dòng)氣象站必須進(jìn)行定期檢定。

自動(dòng)氣象站采集器根據(jù)Pt100鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電阻阻值計(jì)算溫度值。根據(jù)氣象檢定規(guī)程，采集器的溫度通道檢定需要提供約十一個(gè)檔位的電阻信號(hào)[3]，通過(guò)比對(duì)采集器的測(cè)量值和電阻的實(shí)際值，分析其測(cè)量誤差。

近年來(lái)，氣象儀器廠家研制了ZQZ-JC、CQSSJ-1型氣象信號(hào)發(fā)生器[3]，通過(guò)繼電器控制輸出多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻來(lái)模擬溫度，認(rèn)為輸出的阻值不變，但繼電器接觸電阻和阻值漂移都是在變化的。2011年，設(shè)計(jì)了JJQ2型氣象信號(hào)模擬器[4]，采用有源電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬多個(gè)溫度信號(hào)。但不同廠家的采集器輸出激勵(lì)電流大小和持續(xù)時(shí)間不同，造成有源電阻網(wǎng)絡(luò)和部分采集器不匹配。在這些研究基礎(chǔ)上，構(gòu)造了無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)的四線制測(cè)量和輸出回路，使系統(tǒng)模擬的溫度值實(shí)時(shí)顯示，供采集器測(cè)量比對(duì)，克服了現(xiàn)有儀器忽略了電阻年漂、繼電器接觸電阻的變化帶來(lái)檢定結(jié)果誤差大的問(wèn)題[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

Pt100的阻值是隨著氣溫而變化的。采集器通過(guò)四線制測(cè)量Pt100電阻的阻值來(lái)測(cè)量氣溫[1，6]。圖1為測(cè)量原理。采集器向Pt100提供一個(gè)恒定的電流激勵(lì)I(lǐng)，通過(guò)測(cè)量電阻R兩端的電壓計(jì)算阻值并換算成溫度。表1列出了不同氣溫下Pt100的電阻值。

圖1 采集器四線制測(cè)溫原理

氣象檢定規(guī)程規(guī)定可選取幾個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)采集器進(jìn)行檢定。檢定儀器可輸出多個(gè)檔位的準(zhǔn)確溫度信號(hào)——電阻，將設(shè)定的溫度值同采集器的測(cè)量值比對(duì)，即可判斷采集器的性能。根據(jù)溫度和阻值的關(guān)系，輸出電阻的精度在15 mΩ以?xún)?nèi)時(shí)，才可用來(lái)對(duì)采集器進(jìn)行計(jì)量檢定。

表1 不同氣溫下Pt100的阻值

傳統(tǒng)的檢定方法如圖2中粗實(shí)線所示。用11個(gè)不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻R1、R2、…、R10組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定某個(gè)溫度值后，通過(guò)繼電器K1、K2、…、K10切換輸出電阻，采集器測(cè)得的阻值和標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值(認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值不變)比對(duì)來(lái)判斷誤差。但電阻的漂移和繼電器接觸電阻的變化，A、B之間輸出給采集器的電阻阻值抖動(dòng)通常在30 mΩ以上，不滿足計(jì)量檢定的要求。

圖2 檢定系統(tǒng)原理示意圖

系統(tǒng)引入實(shí)時(shí)測(cè)量和四線制切換電路，如圖2。電阻網(wǎng)絡(luò)選用UPR型超精密金屬膜電阻(精度為±0.01%，溫度系數(shù)為±2 ppm/℃，額定功率為0.25 W)，阻值如表1所示。設(shè)定某個(gè)電阻輸出后，通過(guò)繼電器構(gòu)造四線制測(cè)量電路，將實(shí)時(shí)阻值及對(duì)應(yīng)的溫度顯示在面板上，然后斷開(kāi)內(nèi)部測(cè)量電路，以四線制形式將電阻輸出到外部端口供采集器測(cè)量，對(duì)比兩個(gè)測(cè)量值實(shí)現(xiàn)采集器的檢定。具體工作流程如下：

(1)電阻網(wǎng)絡(luò)形成。通過(guò)按鍵設(shè)定需要模擬的溫度，如設(shè)定輸出-50 ℃(對(duì)應(yīng)電阻為R1)，則繼電器K1閉合，其余斷開(kāi)。R1接入A、B之間。

(2)四線制測(cè)量。系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)量R1的實(shí)時(shí)值。雙刀雙擲繼電器K11和K12閉合，構(gòu)成四線制測(cè)量回路。輸出電流I1，測(cè)量A、B兩端電壓，計(jì)算R1的實(shí)時(shí)值并換算成溫度T1。

(3)四線制輸出回路。瞬間的測(cè)量完成后，K11和K12斷開(kāi)，K13和K14閉合，R1以四線制送到輸出端口供采集器測(cè)量并換算成溫度值T2。

(4)數(shù)據(jù)比對(duì)。根據(jù)T1與T2計(jì)算采集器的誤差。

系統(tǒng)和采集器測(cè)量時(shí)導(dǎo)線長(zhǎng)度(對(duì)應(yīng)于PCB上線路長(zhǎng)度)不同，但由于均采用四線制方法測(cè)量，線路的長(zhǎng)度不影響測(cè)量值，測(cè)得的均為A、B之間的阻值。且兩次測(cè)量時(shí)A、B間電阻網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有變化，均包含了繼電器閉合時(shí)的接觸電阻，接觸電阻就不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)框圖

采集器的檢定常常在野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，功耗盡可能低以增強(qiáng)電池的續(xù)航能力。MSP430單片機(jī)功耗和口線輸入漏電流遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品[7]。以MSP430F149為主控制器，通過(guò)CPLD擴(kuò)展I/O口，驅(qū)動(dòng)TFT顯示屏、繼電器等。系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 檢定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

采用高精度、低功耗、內(nèi)部自帶電流激勵(lì)、低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793設(shè)計(jì)電阻測(cè)量電路。測(cè)得的實(shí)時(shí)電阻(溫度)通過(guò)TFT屏顯示。CPLD控制繼電器以構(gòu)造四線制測(cè)量和輸出回路。設(shè)計(jì)校準(zhǔn)電路，將阻值偏差寫(xiě)入存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，讀取存儲(chǔ)器的校準(zhǔn)值以修正輸出。

2．2電源模塊設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)數(shù)字和模擬部分的電源電路。模擬測(cè)量電路采用低靜態(tài)電流、低輸入輸出壓差的線性穩(wěn)壓芯片以提高測(cè)量精度并降低功耗，如圖4。

圖4 系統(tǒng)電源電路

鋰電池電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片LTC3621后得到+5 V電壓。LTC3621輸入范圍為2.7～17 V，電池電壓波動(dòng)情況下，仍保持穩(wěn)定的輸出。最大效率為95%，額定電流輸出為1 A，滿足整機(jī)負(fù)荷。

測(cè)量電路工作電壓為5 V．開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率和線性電源的低噪聲確保低功耗和測(cè)量精度。LTC3621的輸出為0.6×(1+R403/R401)=5.5 V，LTC1763為極低輸入輸出壓差(300 mV)和極低靜太電流(30 μA)的線性調(diào)壓器，將5.5 V穩(wěn)壓得到5 V電壓AVCC_+5 V．

采用溫度系數(shù)±0.02%/℃、紋波≤10 mV、輸出功率1 W的DC-DC變換器進(jìn)行電源隔離。輸出RES_M_+5 V為測(cè)量電路的A/D提供工作電壓，線性穩(wěn)壓后得到的3.3 V電壓VA33為總線隔離芯片提供電源。

2．3主控制器和CPLD擴(kuò)展模塊

系統(tǒng)主控制器最小系統(tǒng)及其接口分配如圖5所示。TFT顯示模塊和四線制電路構(gòu)造模塊需占用較多的I/O口資源。利用單片機(jī)掛接CPLD擴(kuò)展I/O口。CPLD的I/O口分配如表2。

2．4四線制測(cè)量模塊

圖6為0 ℃的檔位控制電路。CommA，CommB為檔位公共端，繼電器的2、3觸點(diǎn)常態(tài)斷開(kāi)，設(shè)定輸出0 ℃時(shí)，CPLD端口Relay_0控制繼電器3、4閉合，將電阻R142接入網(wǎng)絡(luò)CommA和CommB中。

電阻檔位設(shè)置完成后，構(gòu)造四線制電阻測(cè)量回路，如圖7所示。CPLD的端口Relay_ResMeaA和Relay_ResMeaB輸出高電平，繼電器K114、K115的3和4、7和8觸點(diǎn)閉合。M_V+和M_I+與電阻的一端CommA相連，M_V-和M_I-與另一端CommB相連，構(gòu)成四線制測(cè)量系統(tǒng)，導(dǎo)線的長(zhǎng)度對(duì)電阻的測(cè)量沒(méi)有影響。AD7793內(nèi)部電流I從M_I+流入經(jīng)過(guò)檔位電阻后從M_I-流出，再經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻R177流入AD7793。M_V+ 和M_V-為檔位電阻兩端電壓。AD7793為低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲24位Σ-Δ型ADC，集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，利用AD7793的模擬通道A1IN1+、A1IN1-測(cè)量當(dāng)前檔位電阻兩端的電壓。標(biāo)準(zhǔn)電阻R177上的電壓作為AD7793模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓REFIN+。故電阻的測(cè)量精度只與標(biāo)準(zhǔn)電阻R177有關(guān)，與電流無(wú)關(guān)。R177采用精度0.01%、溫漂1 ppm的電阻，軟件程序中用高精度萬(wàn)用電表測(cè)量的準(zhǔn)確阻值作為其標(biāo)準(zhǔn)值。

圖5 主控制器端口電路

表2 CPLD端口分配及功能

圖6 檔位控制電路

圖7 系統(tǒng)內(nèi)置四線制測(cè)量電路

測(cè)量模塊的電源采用DC-DC隔離，四通道數(shù)字隔離器ADUM1401將總線與單片機(jī)系統(tǒng)隔離，以減小數(shù)字系統(tǒng)對(duì)其測(cè)量模塊的干擾。

2．5模擬的溫度(電阻)信號(hào)輸出模塊

電阻的實(shí)時(shí)測(cè)量完成后，以四線制送至輸出端，如圖8所示。CPLD控制Relay_OutA和Relay_OutB輸出高電平，繼電器K102、K103的3和4、7和8觸點(diǎn)閉合，電壓的兩端V+、V-和電流的兩端I+、I-分別與電阻兩端CommA、CommB相連。采集器同樣采用四線制測(cè)量該電阻并換算成溫度，與系統(tǒng)顯示值進(jìn)行比對(duì)。

圖8 電阻四線制輸出回路

2．6校準(zhǔn)補(bǔ)償模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)與CPLD通過(guò)8位的數(shù)據(jù)總線和2位的讀寫(xiě)控制總線通信。VHDL編寫(xiě)CPLD的實(shí)體，將其輸出端口進(jìn)行編址。控制TFT屏的端口TFT_RS，TFT_WR，RESET共用地址0011010。單片機(jī)分別在控制線WR_CPLD的上升沿和下降沿通過(guò)數(shù)據(jù)總線MCU_DATA0～ MCU_DATA7發(fā)送兩個(gè)字節(jié)至CPLD，CPLD將上升沿時(shí)接收的字節(jié)作為地址，下降沿收到的字節(jié)作為數(shù)據(jù)賦值到該地址對(duì)應(yīng)的端口。單片機(jī)主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的系統(tǒng)輸出的溫度信號(hào)最大誤差為±0.03 ℃，天氣觀測(cè)中自動(dòng)氣象站的測(cè)量誤差為±0.2 ℃?？梢?jiàn)，系統(tǒng)模擬輸出的溫度信號(hào)精度遠(yuǎn)高于采集器的測(cè)量精度，可作為自動(dòng)氣象站采集器溫度通道的檢定儀器。

表3 各檔位自校準(zhǔn)命令

表4 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)量檢定儀器要求具有很高的精度，傳統(tǒng)采集器溫度通道檢定儀簡(jiǎn)單地通過(guò)切換幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻模擬溫度信號(hào)，忽略了切換時(shí)的接觸電阻和電阻本身漂移。通過(guò)引入內(nèi)部測(cè)量電路，將電阻的阻值和對(duì)應(yīng)的溫度實(shí)時(shí)顯示，而不簡(jiǎn)單地認(rèn)為阻值不變。測(cè)量方式采用四線制以保持和采集器一致，且四線制測(cè)量時(shí)導(dǎo)線的長(zhǎng)度不影響測(cè)量結(jié)果。電阻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)四線制輸出便于采集器接入。系統(tǒng)充分利用了430系列單片機(jī)的低功耗和CPLD端口多的特點(diǎn)。低壓差線性電源、DC-DC隔離、ADC的總線光耦隔離等措施保證了測(cè)量精度。采用四層板，進(jìn)一步降低了干擾。整機(jī)采用鋰電池供電，便于野外現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集器進(jìn)行檢定。便攜式、低功耗、高精度的特點(diǎn)，為自動(dòng)氣象站的檢定工作提供了有力的儀器保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]李黃．自動(dòng)氣象站實(shí)用手冊(cè)．北京：氣象出版社，2007．

[2]唐慧強(qiáng)，衛(wèi)克晶．基于MSC1210的高精度氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2007(7)：56-58．

[3]劉軍，王力，胡林宏，等．CQSSJ-1標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器在DYYZII型采集器校準(zhǔn)中的應(yīng)用．氣象水文海洋儀器，2012(2)：81-83．

[4]行鴻彥，武向娟，呂文華，等．自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器溫度通道的環(huán)境溫度補(bǔ)償．儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，33(8)：1868-1875．

[5]鄒應(yīng)全．一種自動(dòng)氣象站采集器溫度測(cè)量通道檢定裝置：中國(guó)，CN201120208292 ．2012-01-04．

[6]余鋒，高昆，周泓．新型四線制精密熱電阻溫度測(cè)量方法．儀表技術(shù)與傳感器，1998(4)：30-34．

[7]冒曉莉，楊 博，楊靜秋，等．基于 MSP430 單片機(jī)的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：138-140．

[8]劉建成，李樂(lè)樂(lè)，李浩，等．煤礦瓦斯氣體自動(dòng)取樣裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(7)：77-79．

作者簡(jiǎn)介： 徐偉(1981-)，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事信號(hào)處理與氣象儀器儀表研發(fā)。E-mail：kody2008@163．com