多路氣壓檢定系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陸 揚，李 迪，朱 君，董立亭

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

0 引言

目前國內(nèi)氣象傳感器的計量檢定工作已基本實現(xiàn)自動化處理，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和計算，存在很大的人工誤差隱患。因此，研制一種操作簡便、穩(wěn)定性好，可實現(xiàn)批量檢測的自動氣象站計量檢定綜合管理系統(tǒng)，對推動氣象計量檢定工作的自動化、規(guī)范化具有深遠的意義[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，現(xiàn)在主要采用單個檢定方法，并人工進行記錄數(shù)據(jù)，檢定方式較為簡單，費時費力，存在工作效率低、操作不便、存在人工誤差等問題，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型號的串口服務(wù)器，提供了8個RS-232/422/485的三合一串口，最多實現(xiàn)8個氣壓傳感器同時檢定，改變一次只能檢定一個氣壓傳感器的現(xiàn)狀，解決了氣壓傳感器檢定效率低的問題；可對檢定數(shù)據(jù)進行處理，檢定數(shù)據(jù)可存儲、導出，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)還適用于市州級移動氣象計量校準維修系統(tǒng)中的氣壓校準核查，可實現(xiàn)多路同時進行校準核查，便于市州局開展骨干站、區(qū)域站的校準工作，能夠提高效率。

1 多路氣壓檢定系統(tǒng)設(shè)計與實現(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型號串口服務(wù)器，該串口服務(wù)器能夠提供8個RS-232/422/485的三合一串口，擁有多串口通信功能，通過硬件電路的設(shè)計與改造，可完成氣壓傳感器的直接接入，實現(xiàn)8個氣壓傳感器同時進行檢定，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)進行上位機軟件設(shè)計，通過C#語言編寫，設(shè)計出的上位機軟件可以實現(xiàn)8個氣壓傳感器的采集數(shù)據(jù)的存儲、計算，實現(xiàn)對8個氣壓傳感器的設(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

多路氣壓檢定系統(tǒng)的硬件部分主要由串口擴展模塊、電源控制模塊、串口服務(wù)器3個功能模塊組成，其中串口擴展模塊是采用專門串口擴展芯片進行并行串口擴展，此方法利用CPU并行數(shù)據(jù)線和地址線與串口芯片連接，將串口芯片作為外部UART使用，可同時接入多個氣壓傳感器信號，并能夠?qū)崟r進行數(shù)據(jù)交互，通過并行口擴展的串口的方式簡便、靈活，易于實現(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電源適配器進行直接供電，同時為8個氣壓傳感器以及串口服務(wù)器供電，并對設(shè)備有電源保護的作用，當出現(xiàn)短路情況電源控制模塊會自動斷開；串口服務(wù)器實現(xiàn)的就是最核心的部分，通過在串口服務(wù)器中的Linux操作系統(tǒng)上安裝Real COM驅(qū)動程序，可以將串口服務(wù)器上的實體串口映射到系統(tǒng)中去，通過以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)串口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，這樣通過一根網(wǎng)線就能夠?qū)崿F(xiàn)與電腦中上位機軟件的實時通信，對氣壓傳感器進行指令交互及參數(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

多路氣壓檢定系統(tǒng)的軟件部分需要主要是基于C#語言進行開發(fā)，實現(xiàn)上位機界面顯示功能、數(shù)據(jù)通信功能、指令設(shè)置功能及數(shù)據(jù)存儲功能。在打開上位機軟件之前，必須安裝MOXA串口服務(wù)器專用的串口驅(qū)動軟件，即“NPort Administrator”，可實現(xiàn)對串口服務(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等，如圖3所示，點擊“Configuration” 進入?yún)?shù)修改界面，一般修改串口服務(wù)器的IP地址使其和PC機對應的網(wǎng)卡IP地址在同一網(wǎng)段后，點擊“Com Mapping”進行端口映射，是將串口服務(wù)器對應的端口號映射成PC機上的串口號，最后點擊”Apply”完成映射，上位機軟件就能夠利用與串口服務(wù)器匹配的虛擬串口號進行數(shù)據(jù)交互。

圖3 NPort Administrator界面Fig.3 NPort Administrator interface

上位機界面顯示功能利用界面設(shè)計將8串口數(shù)據(jù)收發(fā)同時顯示在軟件界面中，方便技術(shù)人員進行操作及使用，如圖4所示，氣壓檢定的數(shù)據(jù)會顯示在1～8每個氣壓檢定窗口的數(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上位機中單個氣壓檢定數(shù)據(jù)收發(fā)功能模塊實現(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)存儲功能是實時的將所接收到的氣壓檢定數(shù)據(jù)進行存儲，數(shù)據(jù)存儲的方式按氣壓檢定端口及時間進行存儲(年月日)，軟件中可以對數(shù)據(jù)存儲路徑進行設(shè)置及存儲路徑的查詢，方便技術(shù)人員操作，如圖6所示。

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

2 系統(tǒng)測試

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

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

圖8 測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)測試是多路氣壓檢定系統(tǒng)開發(fā)的重要部分，也是產(chǎn)品應用前必須經(jīng)歷的一個環(huán)節(jié)。多路氣壓檢定系統(tǒng)軟硬件設(shè)計、調(diào)試完成后，為了保證系統(tǒng)在氣象業(yè)務(wù)中穩(wěn)定運行，必須要進行系統(tǒng)樣機的測試工作。

2.1 測試內(nèi)容及測試條件

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

測試條件包括一臺筆記本電腦、上位機軟件、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)進行數(shù)據(jù)采集及指令交互[4]。

2.2 功能驗證

2.2.1 端口參數(shù)配置測試 通過多路氣壓檢定系統(tǒng)軟件上位機軟件可以打開與各氣壓傳感器對應的數(shù)據(jù)收發(fā)功能模塊，可直接進行通信端口參數(shù)配置，配置成功后可實現(xiàn)指令交互，如圖9所示，發(fā)送指令‘R+回車’，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)配置測試Fig.9 port parameter configuration test

2.2.2 多路數(shù)據(jù)傳輸測試 同時接入多個氣壓傳感器進行測試，端口參數(shù)進行正確配置后發(fā)送指令‘R+回車’，接收各氣壓傳感器實時數(shù)據(jù)，如圖10所示。

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

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

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

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

測試條件：多路氣壓檢定系統(tǒng)接入8個氣壓傳感器進行檢定，氣壓標準器分別輸入500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa測試點，接入后系統(tǒng)不斷電工作100 h，測試系統(tǒng)是否發(fā)生死機；針對每個測試點隨機抽樣10組數(shù)據(jù)進行計算，觀察誤差值波動度，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]。

測試結(jié)果：系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，未出現(xiàn)死機情況；檢點數(shù)據(jù)未出現(xiàn)較大波動，如表1所示。

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

3 系統(tǒng)應用情況

本次設(shè)計完成了多路氣壓檢定系統(tǒng)的所有基本功能，實現(xiàn)了8個氣壓傳感器檢定數(shù)據(jù)的同時采集、傳輸、存儲，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的誤差。多路氣壓檢定系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)對氣壓傳感器計量檢定工作的自動化、規(guī)范化具有重要意義。