CN105487139B - 高精度多通道自动气象站气压检定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度多通道自动气象站气压检定仪，包括主控制器，均与主控制器相连的参数存储模块、控制按键、复位电路、时钟电路、RS232串口电路、CPLD模块和D/A转换器，以及供电用电源和挂接于CPLD模块扩展输出口的信息显示模块；RS232串口电路的输出端连接有RS232串口信号输出接口，CPLD模块通过接收来自自动气象站的触发信号以固定频率输出脉冲信号于脉冲信号输出接口，D/A转换器通过运放调理电路连接有模拟量信号输出接口。有益效果：实现分别从三个通道输出高精度、互不干扰的模拟电压、触发脉冲、RS232形式的气压信号，输出电信号范围和分辨率能与不同型号自动气象站的采集器匹配。
Description
技术领域
本发明涉及一种气压检定仪，特别是涉及一种高精度多通道自动气象站气压检定仪，属于气象仪器计量检定领域。
背景技术
目前，我国主流自动气象站有CAWS600型、WP3103、ZQZ系列等，一般使用的气压传感器为芬兰Vaisala公司的PTB220，其原理是内置电容性压力传感器，大气压力变化引起电容变化，通过一个高精度的RC振荡电路测量振荡频率反推电容和气压值，而且PTB220可采用RS232形式、触发脉冲和模拟电压三种不同形式的电信号表示气压值。
CAWS600型自动气象站中的气压传感器PTB220一般采用模拟电压（0-5V）输出。采集器测量电压值并换算成气压。
WP3103型自动气象站中的气压传感器PTB220一般采用触发脉冲输出。采集器在每次测量前，先向PTB220发送触发信号，PTB220收到该触发信号后，输出数量与气压大小成正比、频率5kHz、占空比50%的脉冲。采集器对脉冲计数并换算成气压值。
ZQZ系列自动气象站中的气压传感器PTB220一般采用RS232形式字符串输出。气压传感器PTB220以固定波特率将气压数值以字符串形式发送给采集器。采集器通过RS232接收字符串来测量气压值。
然而，自动气象站长期置于野外工作，受恶劣环境影响，其采集器的性能会下降，测量误差增大。气象计量人员需要定期对自动气象站的采集器进行现场检定。采集器气压通道的检定需要一个标准的气压信号源，能模拟气压传感器PTB220输出三种形式的电信号，信号的范围和特征与PTB220一致。采集器测量气压信号源的输出信号，将测量值同设定值比对，判断自动气象站采集器气压通道的测量性能。
目前，用于自动气象站采集器气压通道检定的仪器十分缺乏。通用的电子测量仪器——函数发生器，能提供模拟电压信号，但输出范围和分辨率不满足CAWS600的要求。WP3103和ZQZ系列检定时所需的电信号则更为特殊，没有满足要求的信号源。另外，已有的能提供RS232形式的气压信号的自动气象站信号模拟器，仍存在输出电信号形式单一，不能兼顾不同型号的自动气象站的不足。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种新型结构的高精度多通道自动气象站气压检定仪，特别适用于不同型号自动气象站气压通道的检定。
本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的高精度多通道自动气象站气压检定仪，可实现分别从三个通道输出模拟电压、触发脉冲、RS232形式的气压信号，输出电信号范围和分辨率能与不同型号自动气象站的采集器匹配，而且三种信号的输出高精度、互不干扰，极具有产业上的利用价值。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高精度多通道自动气象站气压检定仪，包括主控制器，均与主控制器相连的参数存储模块、控制按键、复位电路、时钟电路、RS232串口电路、CPLD模块和D/A转换器，以及供电用电源和挂接于CPLD模块扩展输出口的信息显示模块。
其中，所述RS232串口电路的输出端连接有RS232串口信号输出接口，所述CPLD模块通过接收来自自动气象站的触发信号以固定频率输出脉冲信号于脉冲信号输出接口，所述D/A转换器通过运放调理电路连接有模拟量信号输出接口；所述RS232串口信号输出接口、脉冲信号输出接口和模拟量信号输出接口均用于与自动气象站的数据采集器相连。
本发明进一步设置为：所述主控制器和D/A转换器之间设置有总线隔离电路。
本发明进一步设置为：所述总线隔离电路为四通道的数字隔离器ADUM1401。
本发明进一步设置为：所述四通道的数字隔离器ADUM1401中的两个工作电源接口之间通过低纹波的DC-DC芯片MEB01Z-05S05D进行电源隔离。
本发明进一步设置为：所述主控制器采用MSP430系列单片机制作。
本发明进一步设置为：所述MSP430系列单片机内置有UART模块。
本发明进一步设置为：所述UART模块为两个，所述MSP430系列单片机通过内置的任意一个UART模块输出TTL电平后通过电平转换芯片max232将TTL电平转换为RS232电平输出给RS232串口信号输出接口。
本发明进一步设置为：所述D/A转换器采用AD5660芯片，所述运放调理电路采用LTC2050芯片，所述运放调理电路由基准源ADR421经UPR型电阻分压后提供基准电压、并由电荷泵反转芯片LTC1983-5提供负电源。
本发明进一步设置为：所述参数存储模块采用EEPROM芯片。
本发明进一步设置为：所述电源为锂电池，所述信息显示模块为TFT显示屏。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
根据气压值和三种电信号的转换关系，充分利用CPLD模块处理数字时序电路的优势，采用单片机加CPLD模块的架构，并辅以参数存储模块、信息显示模块等，实现分别从三个通道输出高精度、互不干扰的模拟电压、触发脉冲、RS232形式的气压信号，输出电信号范围和分辨率能与不同型号自动气象站的采集器匹配，为不同型号自动气象站采集器气压通道的现场检定和故障判断提供了一种综合的仪器手段。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪的结构示意图；
图2为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪产生触发脉冲形式的气压信号的电路图；
图3为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪产生模拟电压形式的气压信号的电路图；
图4为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪产生RS232形式的气压信号的电路图；
图5为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪的总线隔离电路；
图6为本发明高精度多通道自动气象站气压检定仪的电源隔离电路。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示的一种高精度多通道自动气象站气压检定仪，包括主控制器，均与主控制器相连的参数存储模块、控制按键、复位电路、时钟电路、RS232串口电路、CPLD模块和D/A转换器，以及供电用电源和挂接于CPLD模块扩展输出口的信息显示模块；所述RS232串口电路的输出端连接有RS232串口信号输出接口，所述CPLD模块通过接收来自自动气象站的触发信号以固定频率输出脉冲信号于脉冲信号输出接口，所述D/A转换器通过运放调理电路连接有模拟量信号输出接口；所述RS232串口信号输出接口、脉冲信号输出接口和模拟量信号输出接口均用于与自动气象站的数据采集器相连。
为便于现场检定，采用锂电池供电方式，选用低功耗的处理器作为系统的主控制器，为产生RS232形式的气压信号，主控制器最好内置有UART模块。综合考虑，可选用低功耗的TI公司的MSP430系列单片机作为主控制器。并通过16位DAC、隔离器件和信号调理电路产生高精度模拟电压形式的气压信号，而触发脉冲形式通过CPLD模块实现。当前输出气压值和对应的电信号大小通过TFT屏显示。TFT屏占用较多IO口，不宜直接由单片机形式的主控制器驱动，可利用CPLD模块的扩展IO口挂接。采用EEPROM芯片作为参数存储模块，用于存储气压和电信号的换算函数关系、温度补偿参数等。
如图1和图2所示，检定WP3103自动气象站的采集器气压通道时，需要检定仪能提供触发脉冲形式的气压信号，且触发脉冲的时序要同气压传感器PTB220完全一致。采用的CPLD模块实现时序电路具有资源丰富、精度高的优势，可利用EPM240T100C5产生触发脉冲形式的气压信号。
如图2所示，输入端TRI接收采集器发来的触发信号，输入端DATA和WR为主控制器与CPLD的通信口，主控制器将气压值对应的脉冲数N通过DATA发送至CPLD。输入端f50M为晶振提供的50MHz时钟信号。输出端PULSE输出N个频率5kHz的脉冲，表示气压大小为(N*0.1)hPa。
器件mcu_interface为CPLD模块与主控制器的接口电路，DATA为8位数据总线，WR为通信控制信号。若要产生的气压为500hPa，则检定仪在收到触发信号后，需要产生5000个频率为5kHz的脉冲。主控制器通过总线DATA将整数5000写入CPLD模块的器件mcu_interface，并送至端口Num[15..0]输出。
器件f_DIV_5kHz为分频器，将50MHz的时钟分频得到5kHz的脉冲信号。器件Presure_Plus产生使能信号EN，EN通过与非门NAND2控制输出脉冲的个数。TRI没有收到触发信号时，EN保持低电平，输出PULSE始终为高电平。TRI检测到采集器发来的触发信号下降沿开始，要求延时20ms后再输出脉冲。故在器件Presure_Plus中设置变量x，x对5kHz的脉冲计数，从0计数到100时，EN保持低电平，输出端PULSE为高电平。脉冲周期为0.2ms，100个脉冲即延时20ms。x从100计数到(N+100)时，EN保持高电平，使5kHz的脉冲通过与非门由PULSE端输出。采集器将收到的N个脉冲换算成气压值（N*0.1）hPa，N的取值范围为500-11000。
如图1和图3所示，根据模拟电压形式气压信号的特点，设定气压值后，检定仪输出直流电压，产生模拟电压的范围为0-2.5V。为提高输出电压的精度，可采用低温漂电压基准、高精度DAC、极低失调运放来设计电路。图3中，利用16位的D/A转换芯片AD5660产生模拟电压U1，总线DIN、CLK、CS为其与主控制器的接口。AD5660是ADI公司的16位低功耗、单通道、缓冲电压输出DAC，内置1.25 V基准。采用具有长期稳定性的基准源ADR421输出2.5V的基准电压，通过极低温漂(2ppm/℃)的UPR型电阻R2和R4分压得到电压U3。U1和U3经过由极低失调电压（最大3μV）的运放LTC2050构成的减法电路后，得到输出电压U4，U4为满足要求的电压形式的气压信号。图3中所示的LTC1983-5为电荷泵反转芯片，可为运放提供负电源。
如图1和图4所示，本系统采用的430系列单片机可内置有两个UART模块，利用其中的UART0产生串口形式的气压信号，ZQZ系列自动站接收RS-232形式气压信号的波特率为2400。初始化寄存器将UART0的波特率设置为2400。单片机的UART0输出为TTL电平，利用电平转换芯片max232将其转换为RS232电平；其中MCU-TXD0、MCU-RXD0与单片机的UART0相连，XD、RXD输出的气压信号与自动气象站的采集器相连。D1和D2为静电保护的瞬变二极管。
本系统作为自动气象站采集器气压通道的检定仪器，要求输出气压信号的最大允许误差小于采集器测量误差的1/3。RS232和脉冲形式的气压信号为数字量，抗干扰能力强。而模拟电压形式的气压信号的产生电路极易受到环境温度、数字通道的干扰。除注重器件选型，选择高精度DAC、低失调运放外，还可采取隔离、补偿等措施来保证输出信号的高精度。
如图5所示，即为总线隔离措施，为使模拟电压形式的气压信号产生电路与数字通道的回路完全独立。防止主控制器和DAC通信结点间电流的流动，须进行通道隔离。本系统选用四通道iCoupler技术的数字隔离器ADUM1401将主控制器和DAC的通信总线隔离，其中，VDD1、GND1为数字通道的电源和地，CS、CLK、DIN为与主控相连的片选、时钟、数据总线，VDD2、GND2为模拟电压通道的电源和地，G-CS、G-CLK、G-DIN为隔离后与模拟电压产生电路的DAC5660相连的片选、时钟、数据总线。
如图6所示，即为电源隔离措施，可选用极低纹波的DC-DC芯片MEB01Z-05S05D将四通道数字隔离器ADUM1401的工作电源VDD1和VDD2隔离。器件MEB01Z的输入电压具有较宽的取值范围：4.75-5.25V，且其纹波£10mV，输出电压5V，输出电流达到200mA，功率1W，所以完全满足电压产生模块的功耗要求。
本发明的创新点在于，可提供一种高精度、多通道（RS-232形式、模拟电压、触发脉冲）同时输出而互不干扰的新型气压检定仪。经测试表明，三个通道输出的气压信号范围均为500-1100hPa，覆盖了自动气象站的测量范围；最大误差±0.02hPa，远低于自动气象站的最大测量误差±0.3hPa；从而可为不同型号的自动气象站提供综合的计量检定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：包括主控制器，均与主控制器相连的参数存储模块、控制按键、复位电路、时钟电路、RS232串口电路、CPLD模块和D/A转换器，以及供电用电源和挂接于CPLD模块扩展输出口的信息显示模块；
所述RS232串口电路的输出端连接有RS232串口信号输出接口，所述CPLD模块通过接收来自自动气象站的触发信号以固定频率输出脉冲信号于脉冲信号输出接口，所述D/A转换器通过运放调理电路连接有模拟量信号输出接口；所述RS232串口信号输出接口、脉冲信号输出接口和模拟量信号输出接口均用于与自动气象站的数据采集器相连；
所述主控制器和D/A转换器之间设置有总线隔离电路；
所述主控制器采用MSP430系列单片机制作。
2.根据权利要求1所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述总线隔离电路为四通道的数字隔离器ADUM1401。
3.根据权利要求2所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述四通道的数字隔离器ADUM1401中的两个工作电源接口之间通过低纹波的DC-DC芯片MEB01Z-05S05D进行电源隔离。
4.根据权利要求1所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述MSP430系列单片机内置有UART模块。
5.根据权利要求4所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述UART模块为两个，所述MSP430系列单片机通过内置的任意一个UART模块输出TTL电平后通过电平转换芯片max232将TTL电平转换为RS232电平输出给RS232串口信号输出接口。
6.根据权利要求1所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述D/A转换器采用AD5660芯片，所述运放调理电路采用LTC2050芯片，所述运放调理电路由基准源ADR421经UPR型电阻分压后提供基准电压、并由电荷泵反转芯片LTC1983-5提供负电源。
7.根据权利要求1所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述参数存储模块采用EEPROM芯片。
8.根据权利要求1所述的高精度多通道自动气象站气压检定仪，其特征在于：所述电源为锂电池，所述信息显示模块为TFT显示屏。
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