基于單片機(jī)的大氣電場(chǎng)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李 力，譚濟(jì)民，陳 城，劉 雯

(1.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074；2.神農(nóng)架林區(qū)氣象局，神農(nóng)架 442400)

0 引言

隨著綜合氣象觀(guān)測(cè)網(wǎng)的不斷完善，中國(guó)已經(jīng)建立起地基、空基、天基觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)，數(shù)據(jù)處理、觀(guān)測(cè)保障等技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，全面支撐起協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的綜合氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。新一代天氣雷達(dá)、閃電定位探測(cè)、GNSS/MET大氣水汽觀(guān)測(cè)、電離層測(cè)高儀等綜合氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地面、高空以及空間范圍內(nèi)的大氣圈和相關(guān)圈層的狀態(tài)及其變化過(guò)程展開(kāi)長(zhǎng)期、連續(xù)、系統(tǒng)地觀(guān)測(cè)，為提高氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率、增強(qiáng)公共氣象服務(wù)能力等提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)支持[1-4]。

當(dāng)大氣電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，其中的導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生一定量的感應(yīng)電荷[5]。大氣中電荷分離的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的地面電場(chǎng)也會(huì)隨之改變，電場(chǎng)變化強(qiáng)度受大氣電荷的聚集程度與分布情況影響。所以利用大氣電場(chǎng)儀在地面附近探測(cè)出電場(chǎng)強(qiáng)度后，反算出對(duì)應(yīng)高空區(qū)域的電場(chǎng)改變趨勢(shì)將對(duì)可能發(fā)生的雷電襲擊起到預(yù)警作用[6]。文章基于大氣電場(chǎng)探測(cè)原理，使用MSP430單片機(jī)硬件平臺(tái)、RT-Thread操作系統(tǒng)、C語(yǔ)言和IAR編譯器等手段設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了大氣電場(chǎng)儀的硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理等部分[7-10]，并列舉了系統(tǒng)常見(jiàn)的故障原因與診斷方法。

1 結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

大氣電場(chǎng)儀主要由室外傳感器、電源模塊、防雷模塊、GPS定位校時(shí)模塊、串口服務(wù)器等主要部件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 大氣電場(chǎng)儀組成結(jié)構(gòu)

1.1.1 室外傳感器

信號(hào)采樣在傳感器內(nèi)完成，傳感器核心部件密封于鋁制屏蔽空間內(nèi)，阻隔外界環(huán)境與電磁干擾影響。傳感器采用單路12 V供電，電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大采集和數(shù)據(jù)處理均在傳感器內(nèi)完成，系統(tǒng)高度集成的特點(diǎn)保證了信號(hào)不受外界環(huán)境干擾。傳感器具有電壓轉(zhuǎn)換濾波、信號(hào)處理放大、電機(jī)控制、相位判斷、溫度和電壓監(jiān)測(cè)等功能。數(shù)據(jù)采集盒主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，及時(shí)上傳數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至SD卡，數(shù)據(jù)采集盒配置有SD卡、萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片等功能模塊。數(shù)據(jù)采集盒中央處理芯片采用ARM Cortex-M3，其強(qiáng)大的處理能力可并行實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)上傳存儲(chǔ)等工作，而且軟件系統(tǒng)后期升級(jí)便捷，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。

1.1.2 電源模塊

電源模塊安裝在交流電源箱內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)寬電壓輸入和高精度輸出。

1.1.3 防雷模塊

電源防雷模塊采用了可插拔式設(shè)計(jì)便于更換。當(dāng)沿電源線(xiàn)傳入大氣電場(chǎng)儀的雷電電流超過(guò)避雷器保護(hù)水平時(shí)，電源防雷模塊首先放電，并將雷電電流經(jīng)過(guò)良導(dǎo)體安全引入大地，利用接地裝置使雷電電壓幅值限制在大氣電場(chǎng)儀的雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)以下，使設(shè)備得到安全防護(hù)。

1.1.4 GPS定位校時(shí)模塊

GPS定位校時(shí)模塊集成在電源箱內(nèi)的通信控制板上，對(duì)大氣電場(chǎng)儀進(jìn)行定位和時(shí)鐘芯片定時(shí)校準(zhǔn)。

1.1.5 串口服務(wù)器

串口服務(wù)器放置于室內(nèi)，采用市電供電，一端與大氣電場(chǎng)儀的串口通信線(xiàn)連接以接收數(shù)據(jù)，另一端與室內(nèi)網(wǎng)線(xiàn)連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定IP地址。

1.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

大氣電場(chǎng)儀是集成度很高的雷電活動(dòng)觀(guān)測(cè)裝備，它將戶(hù)外傳感器探測(cè)到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后利用串口通信實(shí)時(shí)發(fā)送至GPRS模塊、室內(nèi)的計(jì)算機(jī)或服務(wù)器等設(shè)備，在接收數(shù)據(jù)傳送至客戶(hù)端后，使用中心站軟件讀取[11]。單站軟件安裝在室內(nèi)計(jì)算機(jī)上，可直接顯示大氣電廠(chǎng)儀的探測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)[12]。其主要特點(diǎn)如下：

1)核心處理芯片采用低功耗、高性能的ARM芯片，完善了外圍電路，設(shè)備功耗更低、擴(kuò)展性更強(qiáng)；

2)傳感器部分采用304不銹鋼材質(zhì)，保證較長(zhǎng)時(shí)間不受環(huán)境腐蝕；

3)傳感器與數(shù)據(jù)采集部分采用分體設(shè)計(jì)，便于維護(hù)管理，避免部分發(fā)生故障時(shí)更換整套設(shè)備；

4)上位機(jī)軟件具有組網(wǎng)功能，可并行接收、處理閃電定位數(shù)據(jù)，提高了雷電預(yù)警準(zhǔn)確性；

5)電廠(chǎng)儀配置了GPS模塊，保證了數(shù)據(jù)時(shí)間的準(zhǔn)確性；

6)通訊接口增加了防雷防浪涌保護(hù)器，使其免遭雷電沖擊。

2 系統(tǒng)源碼設(shè)計(jì)

采集器選用RT-Thread操作系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)采用多線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程分別在運(yùn)行、就緒、掛起3種狀態(tài)之間切換，內(nèi)核基于時(shí)間片檢測(cè)各個(gè)線(xiàn)程狀態(tài)，根據(jù)就緒態(tài)線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)確定執(zhí)行優(yōu)先級(jí)最高的線(xiàn)程，同時(shí)對(duì)其他就緒態(tài)線(xiàn)程進(jìn)行排序，等待執(zhí)行。通過(guò)互斥量、關(guān)閉中斷等確保臨界資源只被一個(gè)線(xiàn)程獨(dú)占操作。通過(guò)事件、消息隊(duì)列、郵箱等線(xiàn)程間通信機(jī)制保證各個(gè)線(xiàn)程的協(xié)調(diào)工作。

傳感器軟件基于MSP430單片機(jī)硬件平臺(tái)，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，IAR編譯器進(jìn)行編譯。軟件主要功能為測(cè)量電場(chǎng)值、溫度、電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，識(shí)別輸入的命令與參數(shù)。考慮到更新維護(hù)，將MSP430的ROM分為4個(gè)區(qū)，分別為Information、User Code、Bak及Boot區(qū)，空白部分為片內(nèi)RAM。其中，Boot區(qū)用來(lái)存放開(kāi)機(jī)引導(dǎo)升級(jí)程序，通過(guò)1K-Xmodem傳輸協(xié)議來(lái)完成升級(jí)。

3 典型故障診斷

大氣電場(chǎng)儀的傳感器、電源模塊和防雷模塊等核心部件集成度高，傳感器與電源箱采用專(zhuān)用航空插頭總線(xiàn)連接，只有通信線(xiàn)纜需要人工接線(xiàn)，存在由于接線(xiàn)順序錯(cuò)誤導(dǎo)致通信異常的隱患，可根據(jù)電源箱內(nèi)串口接線(xiàn)端子的標(biāo)識(shí)和指示燈判斷通信線(xiàn)纜是否連接正確。指示燈的狀態(tài)為：數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送指示燈閃爍；數(shù)據(jù)接收時(shí)，接收指示燈閃爍；設(shè)備通電后，電源指示燈常亮。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著綜合氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)全面發(fā)展，大氣電場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)已成為必不可少的重要技術(shù)手段。大氣電場(chǎng)儀測(cè)得的電場(chǎng)數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性，通過(guò)計(jì)算分析探測(cè)數(shù)據(jù)，利用預(yù)測(cè)模型對(duì)設(shè)備屬地附近一定區(qū)域范圍的大氣電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和雷電災(zāi)害提前做出預(yù)警響應(yīng)。文章通過(guò)介紹大氣電場(chǎng)儀的工作原理，詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與功能特點(diǎn)，并深入講解系統(tǒng)源碼，列舉了常見(jiàn)故障現(xiàn)象與處理方式，為大氣電場(chǎng)觀(guān)測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐。