基于壓電效應的FPGA降水粒子測量系統(tǒng)設計*

劉清惓， 朱俊豐， 杜 虹， 郭 薇， 韓上邦， 王勛濤

(1．江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044; 2．南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044)

0 引 言

伴隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，天氣現(xiàn)象的實時觀測對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事活動起著越來越重要的作用。降水是指液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)水凝(凍)物從空中下落到地面這一過程，作為一類重要的天氣現(xiàn)象，對其進行精確地觀測亦具有重要意義?，F(xiàn)階段對于降水粒子的測量方法主要分為傳統(tǒng)測量和現(xiàn)代測量兩類[1]。

目前，氣象觀測中主要依靠傳統(tǒng)的測量方法，即人工觀測區(qū)分不同降水類型，利用翻斗雨量計、雨量筒等測量降水強度和降水量，這些方法對人的依賴程度高，自動化觀測水平低，不適合對大量數(shù)據(jù)處理分析并尋找規(guī)律，且得到的降水觀測資料的時間和空間分辨率均難以滿足當前大氣科學研究、精細化數(shù)值天氣預報的需求。

在現(xiàn)代測量中以光學降水測量技術為主，主要原理是降水微粒的大小、形狀、降落速度和密度會導致光信號的強度、頻率發(fā)生變化，通過分析降水下落時調(diào)制光束的脈沖特征即可判別降水類型。此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)降水現(xiàn)象的連續(xù)、非接觸、自動觀測，提供高時間分辨率的降水粒子微物理信息，目前比較成熟的有芬蘭Vaisala公司的PWD系列[2]；美國ASOS的LEDWI系列；WIVIS的OSI,OWI系列等傳感器。但此種測量方式成本高昂，校準頻繁復雜，使用壽命短，且適用環(huán)境苛刻，易受灰塵、高溫、高濕等因素的影響[3]。

針對現(xiàn)有測量方法存在的局限，本文將壓電效應原理應用于降水粒子的感測，并設計了以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心，多路并行數(shù)據(jù)采集的降水粒子觀測系統(tǒng)。由于降水粒子的形態(tài)多樣且直徑范圍大，因此，壓電傳感器件的響應信號幅值范圍廣[4]。在本系統(tǒng)的實驗環(huán)境下，大粒子信號可達34 V，系統(tǒng)的前端信號處理電路須將其衰減至少10倍，才可以完整地將其采集。為實現(xiàn)對小粒子的測量，本系統(tǒng)還需具備對低至50 mV的微弱電壓信號的采集和分析能力。對此，本系統(tǒng)采用的方法是將傳感器的信號按峰值分成小于300 mV，300 mV～3 V，3～30 V，大于30 V4個區(qū)間，其模擬電壓增益分別為10，1，1/10，1/100，這樣既可以滿足大幅信號的測量，又可以提高系統(tǒng)對小信號測量的分辨力。經(jīng)調(diào)理后的信號分由四路高速ADC進行同步數(shù)據(jù)采集，將測得的數(shù)據(jù)分析換算后，還原粒子的特征參數(shù)，以實現(xiàn)降水粒子的測量。

1 降水粒子觀測系統(tǒng)原理

1．1 壓電傳感器基本原理

如圖1所示，沿x軸方向施加外力Fx時，在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Q=d·Fx，其中，d為壓電常數(shù)。當需要壓電元件輸出電壓時，可以把壓電元件等效為一個電壓源與一只電容器相串聯(lián)的電壓等效電路，在開路狀態(tài)，其輸出端電壓為：Ua=Q/Ca，其中,Ca為兩電極的極間電容[5]。當外電路接入負載RL，且不是無窮大時，電路以時間常數(shù)RL·Ca放電。

圖1 壓電器件與前置電路等效圖

1．2 降水粒子信號觀測基本原理

由上述可知，壓電傳感器接入前置放大電路后，該部分電路可等效為圖1所示結(jié)構。其中,R和C分別表示前置放大器的等效輸入電阻R=RaRi/(Ra+Ri)；等效輸入電容C=Cc+Ci,Ra為測量電路的漏電阻，Ri為放大器輸入電阻；Cc為測量電路聯(lián)線分布電容(電纜電容)，Ci為放大器輸入電容[6]。

假設降水粒子作用在壓電傳感器上的軸向力為

(1)

其壓電系數(shù)為d，則壓電效應為

(2)

等效電壓源的端電壓Ua(t)=Qa(t)/Ca,所以，前置放大電路輸入電壓為

(3)

(4)

經(jīng)測試,式中等效輸入阻抗R值為60 MΩ，壓電器件極間等效電容Ca為40 nF，C為pF量級，遠小于Ca，可忽略，則有測量回路時間常數(shù)τ=R(Ca+C)≈2.4。實際實驗時ω值的量級大于1 000,即ωτ?1，則有

(5)

(6)

此時的電壓靈敏度為

(7)

由公式(6)的推導過程可知，壓電傳感器接入前端放大電路，電路輸出信號的模Uom與作用力F具有一定的線性關系。這給本文采用壓電傳感器觀測降水量粒子提供了理論支撐[7]。為得到降水粒子撞擊壓電傳感器件的響應信號特征，實驗采用示波器觸發(fā)觀測撞擊瞬間波形，如圖2所示。固態(tài)粒子的響應信號中載有傳感器結(jié)構的高頻機械諧振信號，而液態(tài)粒子則沒有產(chǎn)生高頻諧振信號。其主要原因是液態(tài)具有表面張力且具有阻尼特性，故未能激發(fā)高頻諧振，因此,可以利用此特征來區(qū)分固液兩態(tài)的信號[8]。

圖2 不同降水粒子的響應信號波形

2 降水粒子觀測系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計框圖如圖3所示。本系統(tǒng)主要包括：壓電傳感器、前置放大電路、多路并行A/D轉(zhuǎn)換器、基于FPGA數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及基于MSP430微控制器的數(shù)據(jù)后處理模塊。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.1 模擬前端電路設計

系統(tǒng)采用直徑50 mm的壓電陶瓷片作為前端傳感元件，選用INA163儀表放大器作為前端信號放大和跟隨器件，選用反向擊穿電壓Vz為3.9 V的齊納二極管IN5228，用于A/D轉(zhuǎn)換器輸入口過壓保護。A/D轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的16位并行高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS8471，ADS8471在滿足1 MSPS采樣率的同時，還具有良好的噪聲抑制、優(yōu)異的誤差控制以及數(shù)據(jù)高效便捷的并行傳輸能力等優(yōu)勢。

2.2 FPGA數(shù)字電路設計

本系統(tǒng)采用Altera公司Cyclone II系列FPGA中EP2C8Q208C8N作為系統(tǒng)的主要控制與數(shù)據(jù)采集處理核心器件。系統(tǒng)的FPGA設計包含A/D驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊和MCU通信控制模塊。

A/D驅(qū)動模塊包括：1)ADS8471驅(qū)動模塊，用于直接驅(qū)動ADS8471實現(xiàn)一次A/D轉(zhuǎn)換操作；2)轉(zhuǎn)換速率控制模塊，用于控制A/D轉(zhuǎn)換速率，以實現(xiàn)不同采樣速率的快速控制；3)數(shù)據(jù)輸出控制模塊，將數(shù)據(jù)以穩(wěn)定時序規(guī)則對外(其他模塊)輸出。

數(shù)據(jù)預處理模塊包括：1)數(shù)據(jù)緩存模塊，用于緩存一定數(shù)量的實時數(shù)據(jù)，供判別模塊調(diào)用；2)有效信號起止點判別模塊，判斷出一次完整降水粒子信號的起始點與結(jié)束點；3)信號峰值、積分值與時間跨度計算模塊，計算出此次粒子信號的峰值、積分值與時間跨度3個特征值，以作數(shù)據(jù)后處理；4)數(shù)據(jù)輸出控制模塊，將3個特征數(shù)據(jù)打包并對外輸出。

數(shù)據(jù)緩沖模塊：采用異步FIFO將預處理得來的數(shù)據(jù)進行緩沖，待MCU通信控制模塊讀取和傳輸。

MCU通信控制模塊[9]：檢測到FIFO不為空時，將數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，并為數(shù)據(jù)加上起始位和校驗位，再向單片機發(fā)送通信中斷請求，待響應后將數(shù)據(jù)傳至單片機。FPGA與單片機通信采用8位數(shù)據(jù)線加1位握手信號線共9線的并行數(shù)據(jù)傳輸模式，實現(xiàn)2個平臺間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 MCU數(shù)字電路設計

本系統(tǒng)采用MSP430單片機作為后處理器，主要功能是：根據(jù)FPGA初步計算得來的粒子的3個特征值，計算得出該粒子的物理特征參數(shù)(如直徑)，后通過RS—232串口上傳至PC。

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)線性度測試

系統(tǒng)對于各個峰值段的信號的線性度測試結(jié)果如圖4所示。圖4(a)，(b)，(c)分別為增益10，1，1/10測試結(jié)果線性分析圖。

圖4 增益10，1，1/10的線性度測試圖

由數(shù)據(jù)的線性擬合函數(shù)可以得出系統(tǒng)的動態(tài)響應具有良好的線性，且增益為1時最佳，不同增益情況下系統(tǒng)伴有不同程度的整體偏移。因此，在設計數(shù)據(jù)后處理程序時，應將系統(tǒng)線性擬合函數(shù)加入程序，以更好地還原出激勵信號。

3.2 量化粒子測試

將系統(tǒng)線性擬合函數(shù)加入數(shù)據(jù)后處理程序后，進行此階段測試。本測試采用不同尺寸粒子激勵系統(tǒng)，獲得對于不同尺寸粒子系統(tǒng)的響應特征函數(shù)。實驗中分別采用直徑為2,3,4,5,6,7,8,9.3,10 mm粒子，在相同實驗環(huán)境下撞擊系統(tǒng)，得到圖5所示的數(shù)據(jù)點分布圖。

圖5 實驗數(shù)據(jù)分布和擬合函數(shù)圖

如圖5所示，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分布擬合出對于不同尺寸粒子激勵的系統(tǒng)響應函數(shù)

F(x)=0.006 2x4-0.162 9x3+1.602 4x2-

3.089 3x+ 2.133 5.

其均方誤差R2=0.996 9，再將此函數(shù)應用于系統(tǒng)后處理程序中，直接計算出粒子尺寸。

3.3 系統(tǒng)全量程測試

在前2次實驗完成且將數(shù)據(jù)后處理程序優(yōu)化的基礎上，對系統(tǒng)進行全量程測試實驗，結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于壓電傳感器件的新型感測方法，并設計了一種基于FPGA的降水粒子信號采集處理系統(tǒng)。在系統(tǒng)粒子算法設計中，將各增益的系統(tǒng)響應擬合函數(shù)和各粒子的響應擬合函數(shù)，應用于系統(tǒng)的粒子尺寸還原算法，

有效降低了電路系統(tǒng)引起的線性誤差。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)對于粒子直徑觀測誤差小于±0.1 mm，具有精度高、響應快、粒子判別準確等特點，在降水粒子觀測領域具有潛在的應用前景。

參考文獻:

[1] 孫學金,王曉蕾,李 浩,等.大氣探測學[M].北京：北京氣象出版社,2009.

[2] Vaisala.現(xiàn)時天氣現(xiàn)象傳感器[EB/OL].[2013—06—18].http:∥cn.vaisala.com/cn/products/presentweathersensors/Pages/default.aspx.

[3] 高太長,劉西川,劉 磊,等.自動氣象站及氣象傳感器發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析[J].儀器儀表學報,2008,29(8):127-133.

[4] Barnhart G J.Predicting hail size using model vertical velocitie-s[D].Monterey,CA:NAVAL Postgraduate School,2008:3.

[5] 方 科,李欣欣,楊志剛,等.壓電式能量獲取裝置的研究現(xiàn)狀[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(10):7-10.

[6] 賈菲·B.壓電陶瓷[M].林聲和,譯.北京:科學出版社,1979.

[7] Tressler J F,Alkoy S,Newnham R E. Piezoelectric sensors and sensor materials[J].Journal of Electroceramics,1998,2(4):257-272.

[8] Sokhanvar S,Dargahi J,Packirisamy M.Influence of friction on piezoelectric sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,141(1):120.

[9] 馮春陽,張遂南,王 瑋,等.基于FPGA 的三線制同步串行通信控制器設計[J].電子技術應用，2009,35(9):54-56.