通用型探空儀基測箱

馬林+孫寶京+郭延松

摘 ?要： 針對由于目前我國高空氣象探測使用的探空儀基測箱不通用，而引起的基測箱配發(fā)重復、資源浪費等問題，首次提出設計一種通用型探空儀基測箱。采用低功耗、高精度的傳感器測量氣溫、氣壓，通過DSP完成各氣象要素的采集、計算和電路控制，使用FPGA完成邏輯、接口和顯示控制等功能，設計電源變換電路為8種型號探空儀提供工作電源。通過測試表明通用型探空儀基測箱測量精度滿足設計指標要求，可為多型探空儀提供基值測定功能，具有廣闊的推廣前景。

關鍵詞： 探空儀; 傳感器; 氣溫; 高空探測; 基值測定

中圖分類號： TN06?34; TH765 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0112?03

General type basic value measurement box for sonde

MA Lin， SUN Bao?jing， GUO Yan?song

（Department of Electron Reconnaissance， Shenyang Artillery Academy of PLA， Shenyang 110867， China）

Abstract： Since the basic value measurement box for radiosonde currently used in Chinese high?altitude meteorological sounding is not common， which causes repeated allotment and waste of resources， the design of a general type basic value measurement box for sonde is proposed in this paper. The low power consumption and high precision sensor are used in the box to measure the atmospheric temperature and pressure. Acquisition and calculation of the meteorological factors， and circuit control are accomplished by the aid of DSP. logic， interface and display control functions are completed by FPGA . A power conversion circuit is designed to provide power supply for 8 models radiosondes. The testing results show the accuracy of the general type basic value measurement box for sonde can meet its design requirements， provide basic value measurement for multi?type radiosondes， and has a broad prospect for promotion.

Keywords： radiosonde; sensor; air temperature; aerological sounding; basic value measurement

0 ?引 ?言

無線電探空儀是測量空中氣壓、溫度、濕度等大氣參數(shù)，并將其測量值通過無線電信號傳回地面的儀器，簡稱探空儀[1]，是炮兵防空兵氣象分隊實施高空氣象探測的必備儀器。根據(jù)國際氣象組織對高空氣象探測的有關規(guī)定，探空儀在施放前必須進行基值測定，即將探空儀測定的地面氣溫、氣壓和相對濕度與標準儀器測定的地面氣溫、氣壓和相對濕度進行比較，以確定探空儀傳感器的基點變化是否在允許范圍內(nèi)[2]。探空儀基測箱就是用于完成探空儀基值測定，提供地面氣溫、氣壓和相對濕度的標準儀器。

由于目前我國高空氣象探測使用的探空儀型號較多，而探空儀基測箱不通用，造成了氣象臺站需要裝備多種型號的探空儀基測箱，既浪費了資源又提高了操作難度。因此研發(fā)一種通用型探空儀基測箱是十分必要的。

1 ?總體設計

通用型探空儀基測箱主要由6個部分組成，分別為主控制模塊、傳感器模塊、電源管理模塊、顯示模塊、鍵盤和基測箱體。系統(tǒng)組成如圖1所示。

主控制模塊主要完成氣象要素采集、計算、數(shù)據(jù)存儲、通信管理，完成對鍵盤、顯示模塊、傳感器模塊等部分的邏輯控制。傳感器模塊主要由用于測量氣溫、氣壓等氣象要素的傳感器，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和用于固定、連接傳感器的基座組成。電源管理模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)交流/直流供電管理和主控制模塊的電源轉(zhuǎn)換，為滿足多種型號探空儀基值測定需要還提供了多種型號探空儀的工作電源。顯示模塊用于測量結(jié)果查看和探空儀種類選擇等人機交互界面顯示。鍵盤用于選擇待檢測探空儀種類、測量方式和測量數(shù)據(jù)。基測箱體提供探空儀基值測定相對封閉、穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

2 ?硬件設計

2.1 ?主控制模塊設計

主控制模塊是系統(tǒng)的核心，主要完成待檢測探空儀型號選擇、數(shù)據(jù)計算、通信管理以及對鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)采集通道開關等邏輯控制。它由數(shù)字信號處理器DSP和可編程門陣列FPGA以及RAM、串行E2PROM、測量接口控制電路等組成。DSP選用TI公司16位定點數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，集實時處理和控制器外設于一身，非常適合于工業(yè)控制[3]。該DSP有兩種低功耗電源管理模式，支持有條件喚醒低功耗模式和返回功能，其中其低功耗電源管理模式可降低系統(tǒng)功耗，滿足電池供電模式要求。主控制模塊的程序存儲器為DSP內(nèi)置FLASH，當通用型探空儀基測箱加電后，程序代碼由程序存儲器裝載入兩片16位1 Mb容量的高速動態(tài)RAM，DSP在高速RAM中運行程序代碼。主控制模塊電路如圖2所示。

主控制模塊中的FPGA選用低功耗ACEX1K50器件，該器件由邏輯陣列塊、嵌入式陣列塊、快速互聯(lián)以及I/O單元構成[4]。為實現(xiàn)主控制模塊內(nèi)部邏輯，在FPGA內(nèi)設計了顯示模塊接口、鍵盤接口和傳感器模塊測量接口等邏輯，可通過鍵盤選擇探空儀的型號自適應轉(zhuǎn)換測量接口，實現(xiàn)對多種型號探空儀的檢測。主控制模塊采用容量為512 KB的E2PROM為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用于存放系統(tǒng)信息、傳感器參數(shù)、修正結(jié)果等非易失數(shù)據(jù)，并可通過軟件在線讀寫。串行通信使用DSP內(nèi)置的SCI模塊，實現(xiàn)與PC的數(shù)據(jù)通信操作，包括系統(tǒng)參數(shù)的讀/寫、結(jié)果的修正、數(shù)據(jù)的提取等。

2.2 ?傳感器模塊設計

傳感器模塊主要用于測量氣壓、干球溫度、濕球溫度、基測瓶氣溫等氣象要素的測量。溫度傳感器采用北京國瑞智新技術公司生產(chǎn)的測量范圍為-200～650 °C的PT100型鉑電阻[5?6]，氣壓傳感器采用北京國瑞智新技術公司生產(chǎn)的測量范圍為100～1 100 hPa的GY?110R型壓力傳感器。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用TI公司出品的轉(zhuǎn)換速率為100 kHz的ADS8343芯片，該芯片具有低電壓、低功耗、高速、低噪聲、高精度等特點[7?9]。該芯片為4通道16位串行輸出器件，可以實現(xiàn)四通道單端輸入或兩通道差分輸入，本設計中的采用單端輸入方式，基準電壓為2.5 V。

傳感器模塊中，溫度傳感器的標準電阻和鉑電阻電壓測量點接入模擬/數(shù)字芯片的通道2，通過主控制模塊控制標準電阻和鉑電阻的測量通道選擇。測量時，主控制模塊通過模擬開關選擇測量通道，并使電源管理模塊提供的電流流經(jīng)被選擇通道的電阻，經(jīng)過ms級等待后，打開模擬/數(shù)字通道，進行采樣。溫度傳感器中的標準電阻和鉑電阻使用同一個差分放大電路和A/D通道，以避免由于通道不平衡引起的測量誤差。氣壓傳感器采用FPGA分頻的32 kHz時鐘作為工作時鐘，通過時鐘觸發(fā)氣壓傳感器進行采樣轉(zhuǎn)換，經(jīng)過毫秒級等待后，進行結(jié)果讀取。每次采樣轉(zhuǎn)換都需要氣壓測量原始值和氣壓附溫原始值。

2.3 ?電源管理模塊設計

電源管理模塊主要用于為通用型探空儀基測箱提供工作所必須的電源。包括為DSP，F(xiàn)PGA，傳感器，模擬開關等器件提供電源，為多型探空儀提供工作電源，并能夠完成交流/直流供電管理功能。

電源管理模塊主要依靠開關電源和電源變換電路來實現(xiàn)不同供電電壓的提供。該模塊共包括14 V、

-14 V、12 V、-12 V和18 V五種開關電源，經(jīng)過電源變換電路變換后，提供±12 V供2型探空儀使用，18 V供Ⅰ型探空儀使用，30 V供Ⅰ型探空儀使用，±12 V供Ⅱ型探空儀使用，14 V和-4 V供Ⅱ型探空儀使用。

3 ?軟件設計

3.1 ?主程序設計

主程序是通用型探空儀基測箱軟件的核心和主線，主程序啟動后首先進行初始化工作，然后進行運行前的準備工作，最后轉(zhuǎn)入死循環(huán)，通過中斷觸發(fā)、時間標志等方式進行工作。初始化工作包括對主控制模塊、顯示模塊和傳感器等模塊的初始化設置。運行前準備工作包括系統(tǒng)變量的初始化、探空儀檢測型號選取、系統(tǒng)參數(shù)和傳感器參數(shù)的讀取等。

3.2 ?溫度測量程序設計

溫度測量程序啟動后分別讀取標準電阻和鉑電阻上的電壓值，根據(jù)得到的電壓值查詢預存在DSP中的對照表，用插值方式計算出對應溫度值。為保證結(jié)果的準確性，采用多次測量取平均的方式來減小測量誤差。溫度測量程序中采用連續(xù)采集6組數(shù)據(jù)的平均值作為一次瞬時值，再取最臨近8次的瞬時值的平均值作為最終測量值。

3.3 ?氣壓測量程序設計

由于氣壓傳感器對溫度有很強的敏感性，氣壓測量程序啟動后首先讀取氣壓傳感器內(nèi)置氣溫傳感器的溫度值和氣壓原始值，再根據(jù)氣壓傳感器的溫度補償系數(shù)須對所測氣壓原始值進行溫度補償。根據(jù)600～1 100 hPa范圍內(nèi)的氣壓傳感器的測量誤差系數(shù)，采用線性插值的方法得到溫度補償后氣壓值的測量誤差，并用溫度補償后的氣壓值和測量誤差之和作為氣壓臨時值。最后采用連續(xù)采集的8組氣壓臨時值的平均值作為一次瞬時值，再取最臨近10次的瞬時值的平均值作為最終測量值。

3.4 ?濕度測量程序設計

通用型探空儀基測箱采用干濕球方法測量相對濕度。氣溫測量程序和氣壓測量程序分別測量并獲取干球溫度、濕球溫度和氣壓后，濕度測量程序?qū)⒏汕驕囟取袂驕囟群蜌鈮褐捣謩e帶入式（1）計算相對濕度：

[U=E（tw）-A?P?（td-tw）E（td）×100%] ? （1）

式中：[E（tw）]為濕球溫度下的飽和水汽壓;[E（td）]為干球溫度下的飽和水汽壓;[P]為氣壓;[A]為干濕球系數(shù)，[A]=0.000 76。

濕度測量程序計算飽和水汽壓時，根據(jù)濕球是否結(jié)冰選擇不同的算法計算濕球溫度相應的飽和水汽壓。濕球未結(jié)冰時選擇水平液面的飽和水汽壓公式，結(jié)冰時選擇水平冰面的飽和水汽壓[10]。

水平液面飽和水汽壓：

[lgEw（t）=10.795 ?86（1-T0（K+t））-5.028 ?08lg（（K+t）T0）+ ? ? ? ? ? ? ? ?1.504 ?75×10-4×1-10-8.296 ?9（（K+t）/T0-1）+ ? ? ? ? ? ? ? ?0.428 ?73×10-3×104.769 ?55（1-T0/（K+t））+0.786 ?14] （2）

水平冰面飽和水汽壓：

[lgEi（t）=9.096 ?936（1-T0（K+t））- ? ? ? ? ? ? ? ?3.566 ?54lg（T0（K+t））+ ? ? ? ? ? ? ? ?0.876 ?82（1-（K+t）T0）+0.786 ?14] （3）

式中：[Ew（t）]為水平液面飽和水汽壓;[Ei（t）]為水平冰面飽和水汽壓;[T0]為水的三項點溫度273.16 ℃;[K]為絕對零度273.15 ℃。

3.5 ?鍵盤程序設計

通用型探空儀基測箱共設計了4個按鍵，分別為：“選型”、“切換”、“確定”、“照明”。每個按鍵分配一根狀態(tài)線與FPGA連接，在FPGA中完成觸發(fā)中斷、按鍵削抖、鍵位譯碼等鍵盤控制邏輯。當鍵盤有操作時，鍵盤程序響應鍵盤中斷，首先讀取鍵值，判斷鍵值有效性，對于無效按鍵操作放棄，然后轉(zhuǎn)入各個按鍵的實際操作服務函數(shù)，實現(xiàn)按鍵功能，最后恢復現(xiàn)場，轉(zhuǎn)入系統(tǒng)其他事務執(zhí)行狀態(tài)。

4 ?系統(tǒng)測試

通用型探空儀基測箱經(jīng)過計量檢定后，分別以二等空氣溫度標準裝置和二等氣壓標準裝置作為測試設備對通用型探空儀基測箱進行測試。其中二等空氣溫度標準裝置由RCY?2型數(shù)字式鉑電阻測溫儀和RTS?60C型恒溫槽組成，二等氣壓標準裝置由745?23A型數(shù)字壓力標準器和氣壓檢定箱及溫度系數(shù)檢定箱組成。測試中各采取8個采樣點并進行數(shù)據(jù)分析和處理，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 通用型探空儀基測箱測試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出通用型探空儀基測箱溫度測量滿足測量范圍：-20～50 ℃、測量誤差：±0.2 ℃的指標要求;氣壓測量滿足測量范圍：650～1 060 hPa、測量誤差：±0.6 hPa的指標要求。測試結(jié)果表明通用型探空儀基測箱各氣象要素測量準確，可以作為標準儀器為探空儀基值測定提供準確的氣象要素。

5 ?結(jié) ?語

本文介紹了通用型探空儀基測箱的硬件和軟件設計，利用DSP速度快、定時精確、計算精度高等優(yōu)點，實現(xiàn)了氣溫、氣壓和濕度的精確測量。通過系統(tǒng)測試表明，該通用型探空儀基測箱氣象要素測量準確可靠，為探空儀基值測定提供了一種通用的標準儀器。

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