摘 要： 針對(duì)由于目前我國(guó)高空氣象探測(cè)使用的探空儀基測(cè)箱不通用，而引起的基測(cè)箱配發(fā)重復(fù)、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，首次提出設(shè)計(jì)一種通用型探空儀基測(cè)箱。采用低功耗、高精度的傳感器測(cè)量氣溫、氣壓，通過(guò)DSP完成各氣象要素的采集、計(jì)算和電路控制，使用FPGA完成邏輯、接口和顯示控制等功能，設(shè)計(jì)電源變換電路為8種型號(hào)探空儀提供工作電源。通過(guò)測(cè)試表明通用型探空儀基測(cè)箱測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，可為多型探空儀提供基值測(cè)定功能，具有廣闊的推廣前景。

　　關(guān)鍵詞：通信工程論文發(fā)表, 探空儀,傳感器,氣溫,高空探測(cè),基值測(cè)定

　　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(wú)線電探空儀是測(cè)量空中氣壓、溫度、濕度等大氣參數(shù)，并將其測(cè)量值通過(guò)無(wú)線電信號(hào)傳回地面的儀器，簡(jiǎn)稱探空儀[1]，是炮兵防空兵氣象分隊(duì)實(shí)施高空氣象探測(cè)的必備儀器。根據(jù)國(guó)際氣象組織對(duì)高空氣象探測(cè)的有關(guān)規(guī)定，探空儀在施放前必須進(jìn)行基值測(cè)定，即將探空儀測(cè)定的地面氣溫、氣壓和相對(duì)濕度與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)定的地面氣溫、氣壓和相對(duì)濕度進(jìn)行比較，以確定探空儀傳感器的基點(diǎn)變化是否在允許范圍內(nèi)[2]。探空儀基測(cè)箱就是用于完成探空儀基值測(cè)定，提供地面氣溫、氣壓和相對(duì)濕度的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

　　由于目前我國(guó)高空氣象探測(cè)使用的探空儀型號(hào)較多，而探空儀基測(cè)箱不通用，造成了氣象臺(tái)站需要裝備多種型號(hào)的探空儀基測(cè)箱，既浪費(fèi)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(cè)箱是十分必要的。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　通用型探空儀基測(cè)箱主要由6個(gè)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(cè)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(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信管理，完成對(duì)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(cè)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(shí)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(hào)探空儀基值測(cè)定需要還提供了多種型號(hào)探空儀的工作電源。顯示模塊用于測(cè)量結(jié)果查看和探空儀種類選擇等人機(jī)交互界面顯示。鍵盤用于選擇待檢測(cè)探空儀種類、測(cè)量方式和測(cè)量數(shù)據(jù)�；鶞y(cè)箱體提供探空儀基值測(cè)定相對(duì)封閉、穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主控制模塊設(shè)計(jì)

　　主控制模塊是系統(tǒng)的核心，主要完成待檢測(cè)探空儀型號(hào)選擇、數(shù)據(jù)計(jì)算、通信管理以及對(duì)鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)采集通道開(kāi)關(guān)等邏輯控制。它由數(shù)字信號(hào)處理器DSP和可編程門陣列FPGA以及RAM、串行E2PROM、測(cè)量接口控制電路等組成。DSP選用TI公司16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，集實(shí)時(shí)處理和控制器外設(shè)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(chǔ)器為DSP內(nèi)置FLASH，當(dāng)通用型探空儀基測(cè)箱加電后，程序代碼由程序存儲(chǔ)器裝載入兩片16位1 Mb容量的高速動(dòng)態(tài)RAM，DSP在高速RAM中運(yùn)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(gòu)成[4]。為實(shí)現(xiàn)主控制模塊內(nèi)部邏輯，在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)了顯示模塊接口、鍵盤接口和傳感器模塊測(cè)量接口等邏輯，可通過(guò)鍵盤選擇探空儀的型號(hào)自適應(yīng)轉(zhuǎn)換測(cè)量接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種型號(hào)探空儀的檢測(cè)。主控制模塊采用容量為512 KB的E2PROM為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)軟件在線讀寫。串行通信使用DSP內(nèi)置的SCI模塊，實(shí)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(shè)計(jì)

　　傳感器模塊主要用于測(cè)量氣壓、干球溫度、濕球溫度、基測(cè)瓶氣溫等氣象要素的測(cè)量。溫度傳感器采用北京國(guó)瑞智新技術(shù)公司生產(chǎn)的測(cè)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(guó)瑞智新技術(shù)公司生產(chǎn)的測(cè)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(diǎn)[7?9]。該芯片為4通道16位串行輸出器件，可以實(shí)現(xiàn)四通道單端輸入或兩通道差分輸入，本設(shè)計(jì)中的采用單端輸入方式，基準(zhǔn)電壓為2.5 V。

　　傳感器模塊中，溫度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電阻和鉑電阻電壓測(cè)量點(diǎn)接入模擬/數(shù)字芯片的通道2，通過(guò)主控制模塊控制標(biāo)準(zhǔn)電阻和鉑電阻的測(cè)量通道選擇。測(cè)量時(shí)，主控制模塊通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇測(cè)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(guò)ms級(jí)等待后，打開(kāi)模擬/數(shù)字通道，進(jìn)行采樣。溫度傳感器中的標(biāo)準(zhǔn)電阻和鉑電阻使用同一個(gè)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(cè)量誤差。氣壓傳感器采用FPGA分頻的32 kHz時(shí)鐘作為工作時(shí)鐘，通過(guò)時(shí)鐘觸發(fā)氣壓傳感器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)毫秒級(jí)等待后，進(jìn)行結(jié)果讀取。每次采樣轉(zhuǎn)換都需要?dú)鈮簻y(cè)量原始值和氣壓附溫原始值。

　　2.3 電源管理模塊設(shè)計(jì)

　　電源管理模塊主要用于為通用型探空儀基測(cè)箱提供工作所必須的電源。包括為DSP，F(xiàn)PGA，傳感器，模擬開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源和電源變換電路來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)

　　3.1 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序是通用型探空儀基測(cè)箱軟件的核心和主線，主程序啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化工作，然后進(jìn)行運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作，最后轉(zhuǎn)入死循環(huán)，通過(guò)中斷觸發(fā)、時(shí)間標(biāo)志等方式進(jìn)行工作。初始化工作包括對(duì)主控制模塊、顯示模塊和傳感器等模塊的初始化設(shè)置。運(yùn)行前準(zhǔn)備工作包括系統(tǒng)變量的初始化、探空儀檢測(cè)型號(hào)選取、系統(tǒng)參數(shù)和傳感器參數(shù)的讀取等。

　　3.2 溫度測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　溫度測(cè)量程序啟動(dòng)后分別讀取標(biāo)準(zhǔn)電阻和鉑電阻上的電壓值，根據(jù)得到的電壓值查詢預(yù)存在DSP中的對(duì)照表，用插值方式計(jì)算出對(duì)應(yīng)溫度值。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用多次測(cè)量取平均的方式來(lái)減小測(cè)量誤差。溫度測(cè)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(shí)值，再取最臨近8次的瞬時(shí)值的平均值作為最終測(cè)量值。

　　3.3 氣壓測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　由于氣壓傳感器對(duì)溫度有很強(qiáng)的敏感性，氣壓測(cè)量程序啟動(dòng)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(bǔ)償系數(shù)須對(duì)所測(cè)氣壓原始值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)600～1 100 hPa范圍內(nèi)的氣壓傳感器的測(cè)量誤差系數(shù)，采用線性插值的方法得到溫度補(bǔ)償后氣壓值的測(cè)量誤差，并用溫度補(bǔ)償后的氣壓值和測(cè)量誤差之和作為氣壓臨時(shí)值。最后采用連續(xù)采集的8組氣壓臨時(shí)值的平均值作為一次瞬時(shí)值，再取最臨近10次的瞬時(shí)值的平均值作為最終測(cè)量值。

　　3.4 濕度測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　通用型探空儀基測(cè)箱采用干濕球方法測(cè)量相對(duì)濕度。氣溫測(cè)量程序和氣壓測(cè)量程序分別測(cè)量并獲取干球溫度、濕球溫度和氣壓后，濕度測(cè)量程序?qū)⒏汕驕囟�、濕球溫度和氣壓值分別帶入式(1)計(jì)算相對(duì)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(cè)量程序計(jì)算飽和水汽壓時(shí)，根據(jù)濕球是否結(jié)冰選擇不同的算法計(jì)算濕球溫度相應(yīng)的飽和水汽壓。濕球未結(jié)冰時(shí)選擇水平液面的飽和水汽壓公式，結(jié)冰時(shí)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(xiàng)點(diǎn)溫度273.16 ℃;[K]為絕對(duì)零度273.15 ℃。

　　3.5 鍵盤程序設(shè)計(jì)

　　通用型探空儀基測(cè)箱共設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵，分別為：“選型”、“切換”、“確定”、“照明”。每個(gè)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(dāng)鍵盤有操作時(shí)，鍵盤程序響應(yīng)鍵盤中斷，首先讀取鍵值，判斷鍵值有效性，對(duì)于無(wú)效按鍵操作放棄，然后轉(zhuǎn)入各個(gè)按鍵的實(shí)際操作服務(wù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)按鍵功能，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)入系統(tǒng)其他事務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　通用型探空儀基測(cè)箱經(jīng)過(guò)計(jì)量檢定后，分別以二等空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置和二等氣壓標(biāo)準(zhǔn)裝置作為測(cè)試設(shè)備對(duì)通用型探空儀基測(cè)箱進(jìn)行測(cè)試。其中二等空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置由RCY?2型數(shù)字式鉑電阻測(cè)溫儀和RTS?60C型恒溫槽組成，二等氣壓標(biāo)準(zhǔn)裝置由745?23A型數(shù)字壓力標(biāo)準(zhǔn)器和氣壓檢定箱及溫度系數(shù)檢定箱組成。測(cè)試中各采取8個(gè)采樣點(diǎn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

　　表1 通用型探空儀基測(cè)箱測(cè)試數(shù)據(jù)

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

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了通用型探空儀基測(cè)箱的硬件和軟件設(shè)計(jì)，利用DSP速度快、定時(shí)精確、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣溫、氣壓和濕度的精確測(cè)量。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試表明，該通用型探空儀基測(cè)箱氣象要素測(cè)量準(zhǔn)確可靠，為探空儀基值測(cè)定提供了一種通用的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李福林.軍事氣象[M].北京：中國(guó)大百科全書，2010.

　　[2] 總參謀部.中國(guó)人民解放軍高空氣象探測(cè)規(guī)范[M].北京：解放軍出版社，2004.

　　[3] 張育斌，王萬(wàn)成，王志琴，等.基于DSP的倉(cāng)儲(chǔ)式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(3)：648?650.

　　[4] 李桂花，喬為民，敬嵐.基于ACEX1K50的HIRFL?CSR同步處理器設(shè)計(jì)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2011，45(7)：856?859.

　　[5] 楊鎮(zhèn)博，張加宏，吳雨生.基于Atmega16單片機(jī)的微型氣象探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(11)：106?109.

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