陸 揚(yáng)，李 迪，朱 君，董立亭

(1.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心， 貴州 貴陽(yáng) 550002；3.重慶市氣象局，重慶 404100)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)氣象傳感器的計(jì)量檢定工作已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，但存在操作繁瑣、效率低下、配套設(shè)備成本較高等情況。特別是在氣壓檢定過(guò)程中，只能采用單路傳輸采集的方式，且數(shù)據(jù)讀取、處理還依托于人工填寫(xiě)和計(jì)算，存在很大的人工誤差隱患。因此，研制一種操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好，可實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)的自動(dòng)氣象站計(jì)量檢定綜合管理系統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)氣象計(jì)量檢定工作的自動(dòng)化、規(guī)范化具有深遠(yuǎn)的意義[1]。

氣象上使用的的氣壓傳感器主要采用的是Vaisala的PTB220、PTB330兩款型號(hào)的傳感器[2]，該兩款傳感器均為智能傳感器，直接輸出RS232數(shù)字信號(hào)，現(xiàn)在主要采用單個(gè)檢定方法，并人工進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，檢定方式較為簡(jiǎn)單，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在工作效率低、操作不便、存在人工誤差等問(wèn)題，本文研發(fā)的多路氣壓檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MOXA-Nport5650-8-DTL型號(hào)的串口服務(wù)器，提供了8個(gè)RS-232/422/485的三合一串口，最多實(shí)現(xiàn)8個(gè)氣壓傳感器同時(shí)檢定，改變一次只能檢定一個(gè)氣壓傳感器的現(xiàn)狀，解決了氣壓傳感器檢定效率低的問(wèn)題；可對(duì)檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢定數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、導(dǎo)出，改變氣壓檢定數(shù)據(jù)仍采用人工記錄的方式，排除了人工誤差。多路氣壓檢定系統(tǒng)還適用于市州級(jí)移動(dòng)氣象計(jì)量校準(zhǔn)維修系統(tǒng)中的氣壓校準(zhǔn)核查，可實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)核查，便于市州局開(kāi)展骨干站、區(qū)域站的校準(zhǔn)工作，能夠提高效率。

1 多路氣壓檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多路氣壓檢定系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件部分：硬件采用MOXA-Nport5650-8-DTL型號(hào)串口服務(wù)器，該串口服務(wù)器能夠提供8個(gè)RS-232/422/485的三合一串口，擁有多串口通信功能，通過(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)與改造，可完成氣壓傳感器的直接接入，實(shí)現(xiàn)8個(gè)氣壓傳感器同時(shí)進(jìn)行檢定，為多路氣壓檢定系統(tǒng)提供硬件支持。軟件部分：基于Win7系統(tǒng)進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)C#語(yǔ)言編寫(xiě)，設(shè)計(jì)出的上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)氣壓傳感器的采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)氣壓傳感器的設(shè)置功能，包括參數(shù)設(shè)置、指令交互等。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多路氣壓檢定系統(tǒng)的硬件部分主要由串口擴(kuò)展模塊、電源控制模塊、串口服務(wù)器3個(gè)功能模塊組成，其中串口擴(kuò)展模塊是采用專(zhuān)門(mén)串口擴(kuò)展芯片進(jìn)行并行串口擴(kuò)展，此方法利用CPU并行數(shù)據(jù)線(xiàn)和地址線(xiàn)與串口芯片連接，將串口芯片作為外部UART使用，可同時(shí)接入多個(gè)氣壓傳感器信號(hào)，并能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)并行口擴(kuò)展的串口的方式簡(jiǎn)便、靈活，易于實(shí)現(xiàn)。電源模塊控制模塊：多路氣壓檢定系統(tǒng)外部由12 V直流電源供電，其中串口服務(wù)器需要9～15 V直流供電，氣壓傳感器需要12 V直流供電，因此直接采用交流220 V轉(zhuǎn)直流12 V電源適配器進(jìn)行直接供電，同時(shí)為8個(gè)氣壓傳感器以及串口服務(wù)器供電，并對(duì)設(shè)備有電源保護(hù)的作用，當(dāng)出現(xiàn)短路情況電源控制模塊會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)；串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的就是最核心的部分，通過(guò)在串口服務(wù)器中的Linux操作系統(tǒng)上安裝Real COM驅(qū)動(dòng)程序，可以將串口服務(wù)器上的實(shí)體串口映射到系統(tǒng)中去，通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片實(shí)現(xiàn)串口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，這樣通過(guò)一根網(wǎng)線(xiàn)就能夠?qū)崿F(xiàn)與電腦中上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)通信，對(duì)氣壓傳感器進(jìn)行指令交互及參數(shù)設(shè)置[3]，如圖2所示。

圖2 多路氣壓檢定系統(tǒng)硬件部分Fig.2 Multi-channel air pressure verification system hardware part

1.3 系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)

多路氣壓檢定系統(tǒng)的軟件部分需要主要是基于C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面顯示功能、數(shù)據(jù)通信功能、指令設(shè)置功能及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。在打開(kāi)上位機(jī)軟件之前，必須安裝MOXA串口服務(wù)器專(zhuān)用的串口驅(qū)動(dòng)軟件，即“NPort Administrator”，可實(shí)現(xiàn)對(duì)串口服務(wù)器的相關(guān)設(shè)置，主要設(shè)置串口服務(wù)器的IP 地址、串口通訊協(xié)議、串口操作模式及串口編號(hào)等，如圖3所示，點(diǎn)擊“Configuration” 進(jìn)入?yún)?shù)修改界面，一般修改串口服務(wù)器的IP地址使其和PC機(jī)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡IP地址在同一網(wǎng)段后，點(diǎn)擊“Com Mapping”進(jìn)行端口映射，是將串口服務(wù)器對(duì)應(yīng)的端口號(hào)映射成PC機(jī)上的串口號(hào)，最后點(diǎn)擊”Apply”完成映射，上位機(jī)軟件就能夠利用與串口服務(wù)器匹配的虛擬串口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖3 NPort Administrator界面Fig.3 NPort Administrator interface

上位機(jī)界面顯示功能利用界面設(shè)計(jì)將8串口數(shù)據(jù)收發(fā)同時(shí)顯示在軟件界面中，方便技術(shù)人員進(jìn)行操作及使用，如圖4所示，氣壓檢定的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在1～8每個(gè)氣壓檢定窗口的數(shù)據(jù)接收區(qū)。

圖4 多路氣壓檢定系統(tǒng)軟件界面Fig.4 multi-channel air pressure verification system software interface

數(shù)據(jù)通信功能及指令相互功能是通過(guò)上位機(jī)中單個(gè)氣壓檢定數(shù)據(jù)收發(fā)功能模塊實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，可以配置傳感器通信參數(shù)，顯示接收數(shù)據(jù)，發(fā)送調(diào)試指令等。

圖5 單個(gè)氣壓檢定數(shù)據(jù)收發(fā)功能模塊Fig.5 Single air pressure verification data transceiver function module

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是實(shí)時(shí)的將所接收到的氣壓檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式按氣壓檢定端口及時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)(年月日)，軟件中可以對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑進(jìn)行設(shè)置及存儲(chǔ)路徑的查詢(xún)，方便技術(shù)人員操作，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊Fig.6 data storage function module

2 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試后，設(shè)計(jì)出了多路氣壓檢定系統(tǒng)樣機(jī)，如圖7和圖8所示。

圖7 多路氣壓檢定系統(tǒng)樣機(jī)外觀Fig.7 Multi-channel air pressure verification system prototype appearance

圖8 測(cè)試中的多路氣壓檢定系統(tǒng)Fig.8 Multi-channel air pressure verification system in the test

系統(tǒng)測(cè)試是多路氣壓檢定系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要部分，也是產(chǎn)品應(yīng)用前必須經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)節(jié)。多路氣壓檢定系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試完成后，為了保證系統(tǒng)在氣象業(yè)務(wù)中穩(wěn)定運(yùn)行，必須要進(jìn)行系統(tǒng)樣機(jī)的測(cè)試工作。

2.1 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試條件

在測(cè)試多路氣壓檢定系統(tǒng)時(shí)，要保證其功能的正確性，包括端口參數(shù)配置測(cè)試、多路數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能及穩(wěn)定性等。

測(cè)試條件包括一臺(tái)筆記本電腦、上位機(jī)軟件、氣壓傳感器及本系統(tǒng)，直接將氣壓傳感器接入多路氣壓檢定系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及指令交互[4]。

2.2 功能驗(yàn)證

2.2.1 端口參數(shù)配置測(cè)試 通過(guò)多路氣壓檢定系統(tǒng)軟件上位機(jī)軟件可以打開(kāi)與各氣壓傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能模塊，可直接進(jìn)行通信端口參數(shù)配置，配置成功后可實(shí)現(xiàn)指令交互，如圖9所示，發(fā)送指令‘R+回車(chē)’，氣壓傳感器的采集數(shù)據(jù)直接返回至接收區(qū)。

圖9 端口參數(shù)配置測(cè)試Fig.9 port parameter configuration test

2.2.2 多路數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試 同時(shí)接入多個(gè)氣壓傳感器進(jìn)行測(cè)試，端口參數(shù)進(jìn)行正確配置后發(fā)送指令‘R+回車(chē)’，接收各氣壓傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 多路數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試Fig.10 Multi-channel data transmission test

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 數(shù)據(jù)接收后數(shù)據(jù)文件按照路徑進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)方式自動(dòng)按照各氣壓傳感器編號(hào)及年月日進(jìn)行分類(lèi)，最終以TXT文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能Fig.11 Data storage function

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試條件：多路氣壓檢定系統(tǒng)接入8個(gè)氣壓傳感器進(jìn)行檢定，氣壓標(biāo)準(zhǔn)器分別輸入500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa測(cè)試點(diǎn)，接入后系統(tǒng)不斷電工作100 h，測(cè)試系統(tǒng)是否發(fā)生死機(jī)；針對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)隨機(jī)抽樣10組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，觀察誤差值波動(dòng)度，判斷檢定數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)跳變，是否能夠穩(wěn)定采集[5]。

測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)死機(jī)情況；檢點(diǎn)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動(dòng)，如表1所示。

表1 抽樣數(shù)據(jù)誤差Tab.1 Sample data error

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本次設(shè)計(jì)完成了多路氣壓檢定系統(tǒng)的所有基本功能，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)的同時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)，提高了檢定效率，改變氣壓傳感器的檢定現(xiàn)狀，排除了人工檢定帶來(lái)的誤差。多路氣壓檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓傳感器計(jì)量檢定工作的自動(dòng)化、規(guī)范化具有重要意義。