多路溫濕度傳感器采集及顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊 龍，劉清惓

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，信號(hào)與信息處理系，南京210044)

多路溫濕度傳感器采集及顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊 龍，劉清惓*

(南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，信號(hào)與信息處理系，南京210044)

針對(duì)地面氣象站多點(diǎn)觀測(cè)以及氣象探測(cè)飛機(jī)機(jī)載拖拽式測(cè)量場(chǎng)合，提出一種基于鉑電阻和HIH-5031的溫、濕度采集電路，通過FPGA實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)匯總至嵌入式顯示終端，終端擁有基于Qt/E的實(shí)時(shí)波形顯示軟件，并使用SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)溫、濕度數(shù)據(jù)。經(jīng)過與光學(xué)冷鏡式露點(diǎn)傳感器的對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了其濕度誤差小于1%，溫度誤差遠(yuǎn)小于0.2℃，且傳感器電路響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)波形顯示界面準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可用于地面氣象站多點(diǎn)觀測(cè)和機(jī)載拖拽式的測(cè)量場(chǎng)合。

濕度傳感器;溫度傳感器;FPGA;ARM-LINUX;Qt/Embedded;

在氣象探測(cè)領(lǐng)域，獲取溫度和濕度數(shù)據(jù)對(duì)于氣象災(zāi)害預(yù)警、精確數(shù)值預(yù)報(bào)、人工影響天氣和氣候變化監(jiān)測(cè)都是極其重要的。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)需要查看溫、濕度數(shù)據(jù)走勢(shì)并存儲(chǔ)下來，這些場(chǎng)合需要使用便攜式的顯示終端。在地面氣象站的多點(diǎn)觀測(cè)，以及在氣象探測(cè)飛機(jī)機(jī)載拖拽式測(cè)量中，使用PC觀測(cè)和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，儀器體積、重量和功耗都難以滿足不斷提高的需求。本文提出了一種基于HIH-5031濕度傳感器和鉑電阻溫度傳感器的前端采集方案，通過FPGA匯總多路前端傳來的溫度和濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)FPGA處理后發(fā)送至基于ARM11處理器的顯示終端，ARM11處理器終端運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，通過運(yùn)行Qt/E程序來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形的顯示，便于及時(shí)觀測(cè)溫、濕度的變化趨勢(shì)，該系統(tǒng)中安裝有SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)接收到的傳感器數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)主要由3部分組成:多路溫濕度采集前端、多路傳輸匯總電路和便攜式顯示終端。溫濕度采集前端基于STM32微處理器，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集HIH-5031濕度傳感器和鉑電阻溫度傳感器的電壓值，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)溫度和濕度，通過RS232協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA;FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)多路數(shù)據(jù)的收集并處理，將處理后的數(shù)據(jù)以RS232協(xié)議發(fā)送至便攜式顯示終端;顯示終端采用的是ARM11處理器，搭載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行Qt/E應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形顯示，并將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，軟件支持將數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)出成文本文件。所有文件均存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡上，以便在PC等終端上查看。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

溫濕度采集前端采用了32位基于ARM Cortex -M3內(nèi)核的STM32f103微處理器，多路傳輸匯總電路中使用的FPGA芯片是Altera公司的Cyclone II芯片，便攜式顯示終端使用了三星公司的ARM11架構(gòu)的S3C6410處理器芯片。

2.1 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

戶外氣象站和高空氣象探測(cè)需要傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定且在-50℃到+50℃環(huán)境下?lián)碛辛己眯阅?。HIH-5031是帶外殼、防冷凝的集成電路濕度傳感器，對(duì)灰塵、污物、油類和一般的化學(xué)環(huán)境擁有出色的抵抗性能。相較于熱敏電阻、熱電偶和集成溫度傳感器，選用穩(wěn)定性較好的鉑(Pt100)電阻作為感溫元件。

為獲取高精度的溫濕度數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用高分辨率、高采樣速率、低噪聲的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7193進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。AD7193內(nèi)部的Σ-Δ調(diào)制器以高速的采樣頻率對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。AD7193擁有4個(gè)獨(dú)立通道，滿足本設(shè)計(jì)對(duì)通道數(shù)、速度、精度的需求。溫濕度采集前端電路原理框圖如圖2所示。

圖2 前端采集電路原理框圖

采用AD7193的通道1測(cè)量ADR443的輸出電壓值，通道2測(cè)量HIH-5031的輸出電壓值Vout。在25℃環(huán)境下，HIH-5031的輸出電壓為式(1)，其中Vin的電壓值來自于ADR443基準(zhǔn)電壓源芯片，RHraw為相對(duì)濕度值。

式(1)是環(huán)境溫度在25℃時(shí)使用的，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮溫度的變化，對(duì)環(huán)境溫度補(bǔ)償后的實(shí)際濕度為式(2)

式中:T為溫度值(℃)，RHcompensated為真實(shí)濕度值［1］。

溫度測(cè)量采用鉑電阻(Pt100)溫度傳感器，利用AD7193的高精度特性，通道三測(cè)量鉑電阻的電壓值，通道四測(cè)量100 Ω精密電阻的電壓值，STM32處理器依據(jù)上述電壓測(cè)量值計(jì)算出鉑電阻的阻值，根據(jù)鉑電阻阻值分度表，換算出溫度值［2］。該電路方案可以減小由于ADR443長(zhǎng)期使用所帶來的漂移影響。

2.2 多路傳輸匯總電路設(shè)計(jì)

多路采集的方案有利于準(zhǔn)確反應(yīng)所測(cè)環(huán)境參數(shù)的實(shí)際分布情況，并可提出個(gè)別傳感器的偶然誤差數(shù)據(jù)。FPGA采用CycloneII EP2C8芯片，采用50 MHz時(shí)鐘源，擁有8 256個(gè)邏輯單元，最多182個(gè)用戶管腳，F(xiàn)PGA芯片具有模塊化編程和數(shù)據(jù)處理能力，滿足本設(shè)計(jì)對(duì)RS232串口數(shù)量和數(shù)據(jù)處理速度的需求。

2.3 便攜式顯示終端硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式顯示終端硬件部分主要為:ARM11內(nèi)核架構(gòu)的S3C6410微處理器，CPU最高工作頻率為667 MHz，兩片128 M的DDR RAM，256 M的Nand Flash，7.0英寸的電阻觸摸顯示屏，RS232串口等電路模塊。便攜式顯示終端使用存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、拷貝。

3 STM32和FPGA程序設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度采集前端軟件實(shí)現(xiàn)

使用MDK集成開發(fā)環(huán)境編寫STM32程序，程序主要包括AD7193采集溫濕度數(shù)據(jù)和向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)兩部分。

STM32初始化主要包括時(shí)鐘、端口、串口和中斷等模塊的初始化，AD7193初始化主要包括設(shè)置AD7193為連續(xù)采樣模式、增益倍數(shù)、滿量程校準(zhǔn)，零墊片校準(zhǔn)等。AD7193初始化的設(shè)置是為了竟可能小的降低ADC測(cè)量誤差［3］。HIH-5031的電壓輸出是通過和ADR443輸出的3 V經(jīng)ADC內(nèi)部轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)輸出編碼比例計(jì)算得出。ADR443輸出串聯(lián)鉑電阻和100 Ω精密電阻，鉑電阻兩端電壓是通過和100Ω精密電阻電壓經(jīng)ADC內(nèi)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)輸出編碼的比例計(jì)算，通過這種方式間接測(cè)量出鉑電阻的阻值。將所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得出溫度和濕度數(shù)值，通過RS232接口發(fā)送到FPGA，數(shù)據(jù)幀包含幀頭、地址、數(shù)據(jù)、幀尾等信息。

3.2 FPGA多通道處理部分軟件實(shí)現(xiàn)

FPGA匯集來自多個(gè)傳感器前端的數(shù)據(jù)，多路數(shù)據(jù)經(jīng)過整合處理后，通過RS232接口發(fā)送至便攜式顯示終端。FPGA采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，軟件主要分為3個(gè)模塊，一是數(shù)據(jù)接收模塊，用于提取8位有效數(shù)據(jù);二是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容為一位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位［4］;三是頂層匯總模塊，用于匯總數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)各模塊的工作。數(shù)據(jù)傳輸波特率為9 600 bit/s，F(xiàn)PGA程序模塊圖框圖如圖3所示［5］。

圖3 FPGA程序模塊圖

4 Qt/Embedded顯示、存儲(chǔ)軟件的設(shè)計(jì)

由于Qt天然的跨平臺(tái)、簡(jiǎn)潔的開發(fā)方式以及原生支持?jǐn)U展組態(tài)，本設(shè)計(jì)采用Qt/E開發(fā)嵌入式軟件［6］。嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度實(shí)時(shí)波形顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回調(diào)，數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)出為文本文件，數(shù)據(jù)庫(kù)文件和文本文件存儲(chǔ)在SD卡中。

4.1 實(shí)時(shí)曲線顯示界面設(shè)計(jì)方案

顯示界面包括曲線顯示部分、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、波特率選擇和按鍵部分。按鍵功能包括溫濕度切換、暫停、清除數(shù)據(jù)、查看數(shù)據(jù)庫(kù)和退出。軟件將最近30 s內(nèi)接收自FPGA的數(shù)據(jù)顯示為波形。PC端開發(fā)軟件為arm-qtopia-2.2.0，程序的編寫調(diào)試在Fedora14系統(tǒng)中完成。圖4為溫度波形顯示界面，點(diǎn)擊濕度圖標(biāo)可切換至濕度波形的顯示。

圖4 實(shí)時(shí)波形顯示界面

4.2 實(shí)時(shí)曲線的繪制

以前的工具開發(fā)包使用的回調(diào)和消息映射機(jī)制易崩潰、不夠穩(wěn)定，而Qt所支持的信號(hào)與槽的機(jī)制增強(qiáng)了對(duì)象間通信的穩(wěn)定性，使GUI對(duì)用戶的動(dòng)作能做出迅速的響應(yīng)。本設(shè)計(jì)通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，首先需要打開串口設(shè)備，建立監(jiān)聽機(jī)制［7］。建立串口信號(hào)與槽函數(shù)的連接，代碼如下［8］:

Qt/Embedded中使用 QPainter類創(chuàng)建用戶圖形，使用QPainter創(chuàng)建用戶圖形時(shí)需要將代碼放入paintEvent()的畫圖事件函數(shù)中，QPainter類提供了低級(jí)的畫圖函數(shù)，例如畫線，畫矩形等。

通常繪制實(shí)時(shí)波形的方法是直接用QPainter類在畫圖區(qū)域畫出所需圖形，在下一時(shí)刻擦除上次的圖形并繪制所需的圖形，但是，這樣做會(huì)帶來屏幕的閃爍。為了消除閃爍帶來的影響，采用了雙緩沖的設(shè)計(jì)方案。雙緩沖技術(shù)就是在內(nèi)存中開辟一塊緩沖區(qū)，這塊緩沖區(qū)可看做一幅位圖，先將需要繪制的圖形繪制到緩沖區(qū)的位圖上，然后將繪制好的位圖顯示到窗口中［9］。源代碼如下:

Qt/E不同于PC端的軟件，其并未提供用于實(shí)時(shí)波形顯示的坐標(biāo)軸控件，為獲得滿足需求的顯示效果和精度，需要時(shí)間軸具備較高精度的滾動(dòng)功能，豎軸具備自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示范圍的能力。

時(shí)間軸滾動(dòng)顯示實(shí)現(xiàn)方法是，定義長(zhǎng)度為60的二維數(shù)組，分別存放數(shù)字0～59和數(shù)字所對(duì)應(yīng)的橫向像素值，像素值用于確定數(shù)字應(yīng)該顯示的位置，顯示波形時(shí)，重新計(jì)算出0～59所對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)值，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間軸滾動(dòng)顯示。時(shí)間軸時(shí)基采用操作系統(tǒng)時(shí)間，用QTime::currentTime()獲得，可精確到毫秒。豎軸的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)方法是，選取需要顯示為波形的數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，通過選取的最值確定豎軸合理的范圍。

曲線的繪制采用QPoint類，將需要顯示的數(shù)據(jù)表示為像素點(diǎn)，通過drawPolyline()函數(shù)將像素點(diǎn)繪成曲線。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)時(shí)顯示波形的誤差小于1 s/h，滿足應(yīng)用需求。

4.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查看

本設(shè)計(jì)使用SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)嵌入式設(shè)備的特點(diǎn)專門開發(fā)的一款小型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。點(diǎn)擊實(shí)時(shí)波形顯示界面中的“查看數(shù)據(jù)庫(kù)”按鈕，即可進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢界面，圖5為數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)界面。

圖5 數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)界面

使用SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)前需要在Fedora14系統(tǒng)中安裝數(shù)據(jù)庫(kù)。首先解壓源碼包，執(zhí)行configure文件，生成Makefile文件，執(zhí)行make命令(系統(tǒng)中需要安裝armlinuxgcc交叉編譯工具)，生成sqlite3可執(zhí)行文件，將其拷貝到ARMLinux系統(tǒng)的/bin或者/ usr/bin目錄下，并添加可執(zhí)行權(quán)限。將./lib目錄下的libsqlite3.a、libsqlite3.so.0.8.6拷貝到ARMLinux系統(tǒng)的/lib目錄下。編寫程序時(shí)，需要添加sqlite3.h文件的路徑［10］。

數(shù)據(jù)庫(kù)文件用日期和時(shí)間來命名，Qt中用QDateTime::currentDataeTime()獲得系統(tǒng)的當(dāng)前日期，用QTime::currentTime()獲得系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間。

顯示數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)使用了QTable類，該類提供了表格的功能，如圖5中所示。點(diǎn)擊“選擇文件”按鈕，可以選擇打開已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，由于嵌入式Qt不提供QFileDialog類，編寫程序時(shí)需要編寫一個(gè)文件對(duì)話框的類。使用QTextStream類將數(shù)據(jù)庫(kù)文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入到文本文件中，部分源代碼如下［11］:

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在常溫環(huán)境下，本設(shè)計(jì)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)量級(jí)光電式露點(diǎn)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)作對(duì)比，選用了Michell公司的OPTIDEW VISION光電原理的冷鏡式露點(diǎn)傳感器。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，將兩種儀器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，溫、濕度對(duì)比圖如圖6、圖7所示。將光電式露點(diǎn)傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)記為“實(shí)際濕度”，將本設(shè)計(jì)傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)記為“測(cè)量濕度”［12］。

圖6 溫度對(duì)比圖

圖7 濕度對(duì)比圖

根據(jù)圖6、圖7所示，溫度傳感器誤差小于0.2℃，濕度傳感器誤差小于1%，由于冷鏡式露點(diǎn)傳感器響應(yīng)速度慢于本設(shè)計(jì)溫濕度傳感器的響應(yīng)速度，且溫度只保留小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字，所以實(shí)際溫度誤差遠(yuǎn)小于0.2℃。濕度誤差小于1%。

本文所設(shè)計(jì)的多通道便攜式溫濕度傳感器系統(tǒng)指標(biāo)性能方面達(dá)到應(yīng)用要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于鉑電阻、HIH-5031、FPGA和Qt/E的多通道溫濕度采集、顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)，由HIH-5031濕度傳感器、PT100電阻溫度傳感器、STM32、AD7193、FPGA和ARM11處理器等主要器件組成?？蓪?shí)現(xiàn)多路快速測(cè)量大氣溫度和濕度數(shù)據(jù)，運(yùn)行Qt/E程序，可在ARM-LINUX設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示波形曲線，并使用SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD存儲(chǔ)卡上。與傳統(tǒng)的地面及氣象探測(cè)飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)相比，該方案不但實(shí)現(xiàn)多通道高精度傳感器測(cè)量，而且體積、重量、功耗、便攜性均有顯著提升，可用于地面氣象站的多點(diǎn)觀測(cè)，以及氣象探測(cè)飛機(jī)機(jī)載拖拽式測(cè)量中。

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楊 龍(1989- )，男，碩士生，主要研究方向?yàn)閭鞲衅魍鈬娐吩O(shè)計(jì)、嵌入式系 統(tǒng) 軟 件 設(shè) 計(jì)，yanglongvc@ 163.com;

劉清惓(1979- )，男，博士，2002年獲東南大學(xué)碩士學(xué)位，2006年獲加州大學(xué)戴維斯分校博士學(xué)位。目前任南京信息工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镸EMS傳感器技術(shù)、氣象探測(cè)，q.liu@ieee.org。

Design of Multi-Channel Temperature and Humidity Sensors Acquisition and Display System*

YANG Long，LIU Qingquan*
(School of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

According to the measurement ocassion of Ground Stations multi-point observations and meteorological observation aircraft airborne towed，a temperature and humidity acquisition circuit based on platinum resistance and HIH-5030 is proposed.In this system，Embedded software which has real-time waveform display software based on Qt/E can firstly be taken to collect multiple data by FPGA，and then，SQLite3 datebase is used to storage temperature and humidity data.Humidity error of this new system is less than 1%and temperature error is less than 0.2℃compared with optical chilled mirror dew point sensor.Moreover，this sensor circuit can get fast response speed，as well as accurate and stable real-time waveform interface，so that it can be used in the measurement ocassion of Ground Stations multi-point observations and airborne towed.

humidity sensor;temperature sensor;FPGA;ARM-LINUX;Qt/Embedded

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.028

TP212.9

A

1005－9490(2014)02－0297－05

項(xiàng)目來源:國(guó)家公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(GYHY200906037，GYHY201106048);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41075026，412475042);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目;江蘇省科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(BE2011006)

2014-01-09修改日期:2014-02-20

EEACC:7230;7320