基于STM32的高精度車載氣壓高度表設計*

余德文，李錦云，李 斐

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

基于STM32的高精度車載氣壓高度表設計*

余德文，李錦云，李 斐

(華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074)

針對車載氣壓高度表對跨地域、長時間運行的高精度以及系統小型化、界面友好化等要求，設計了基于STM32硬件平臺的車載氣壓高度表系統。系統中采用高精度硅壓阻式壓力傳感器，皮托管及相關管路組成氣路系統實現大氣壓靜壓的采集，并通過嵌入式實時操作系統μC/OS—II和圖形用戶界面μC/GUI實現基于多任務的界面顯示。實驗結果表明：經實時校正后的車載氣壓高度表在長時間運行時測量精度優于1.2 m，具有較高的測量精度，能很好地滿足氣壓高度表車載應用的高精度高度定位要求。

實時校正；車載；氣壓高度表；氣路系統

0 引 言

氣壓高度表是測量載體當前高度的一種重要儀表，已被廣泛應用于航空測試系統等相關領域[1]。國內外氣壓測高技術已取得大量科研成果，氣壓測高精度也已得到有效提高，但目前氣壓高度測量多應用于飛行器的垂直高度測量，具有結構復雜、體積大等問題。而車載氣壓高度表具有跨地域、運行時間長、空間有限等特點[2,3]，因此，對氣壓高度表長時間運行精度和系統小型化等特性提出了更高的要求。

針對以上問題，本系統中車載氣壓高度表系統采用STM32微控制器和高精度硅壓阻式壓力傳感器組成系統硬件平臺，并通過基準點提供的氣壓和溫度數據對車載氣壓高度表進行實時校正，以減小氣壓高度表隨區域和時間變化而引起的變化，將氣壓高度表從機載應用領域拓展到車載及其它陸地應用場合，為建立基于氣壓測高原理的陸用高精度高度定位系統奠定基礎。

1 氣壓高度表原理

1.1 氣壓測高原理

氣壓高度表是基于大氣壓隨高度的增加而不斷減小的原理，通過測量環境大氣在重力作用下的靜壓，并根據靜力學方程來測量高度的一種間接儀表。在符合《國際標準ISO 2533—標準大氣》規定的國際標準大氣條件下，有如下壓高公式[4]

(1)

式中p0為標準海平面氣壓，國際標準大氣條件下p0=101.325 kPa；T0為標準海平面溫度，國際標準大氣條件下T0=288.15 K；H0為標準海平面高度，絕對高度測量中H0=0；β為大氣溫度垂直梯度，國際標準大氣條件下，在氣壓高度表車載應用領域中β=-6.5 ℃/km。

1.2 原理誤差與補償

當某已知海拔高度為Ha的點a的氣壓、溫度分別為pa，Ta，利用式(1)測得標準氣壓高度為H0時，通過下式對原理誤差進行補償[6]

=ΔHp0+ΔHT0+ΔHβ.

(2)

在忽略實際溫度垂直梯度與標準溫度梯度引起的誤差下有

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 車載氣壓高度表實時校正

大氣壓受外界環境、海拔高度以及緯度等因素影響，同一地區，一晝夜內，在9～10時和21～22時有2個峰值，在3～4時和15～16時有2個谷值，24 h內氣壓變化可達3～5 hPa，相應高度變化大約為27～45 m[2]。故車載氣壓高度表在長時間或跨地域運行時必須進行多次校正以獲得較高測量精度。

為了減小車載氣壓高度表隨環境條件變化的影響，保證其在跨地域、長時間運行時的精度，可通過基準點提供的氣壓與溫度數據，對車載氣壓高度表進行實時校正實現[7]，主要步驟如下：

1)獲得當前區域內基準站的海拔高度及其發布的氣壓和溫度數據。

3)修正式(1)的壓高公式為

(7)

4)利用車載氣壓高度表測量的大氣靜壓和式(7)計算高度表載體的當前絕對高度。

2 高精度車載氣壓高度表系統設計

2.1 系統框圖

高精度車載氣壓高度表系統框圖如圖1所示。系統采用硅壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器采集大氣靜壓和溫度信號，經整形與濾波后，通過A/D轉換器由STM32控制器處理。STM32控制器通過串口或觸摸屏手動輸入獲得修正海平面氣壓和溫度等相關校正信息。高度測量結果通過LCD現場顯示或通過串口通信輸入上位機。

圖1 高精度車載氣壓高度表系統框圖Fig 1 Block diagram of high precision vehicle-oriented barometric altimeter system

2.2 氣路系統設計

由流體力學可知，流體在運動時會產生動壓，此時測量壓力(全壓)為動壓和靜壓之和。而氣壓高度表是通過大氣靜壓原理實現高度測量的，因此，氣路系統的設計在車載氣壓高度表系統中有著至關重要的作用[8]。

本系統設計的車載氣壓高度表采用如圖2所示的氣路系統。圖中皮托管安裝在車頂，并使進氣口與車前進方向相一致，皮托管的全壓和靜壓出氣口通過尼龍管組成的管路送相應的壓力傳感器。由于本車載氣壓高度表系統不需要通過測量動壓來獲得車的運動速度，故實際中只對圖2中的靜壓進行了相關測量。

圖2 車載氣壓高度表氣路系統Fig 2 Gas path system of vehicle-oriented barometric altimeter

2.3 車載氣壓高度表界面設計

μC/GUI是由美國Micrium公司開發的一種通用嵌入式圖形用戶界面軟件，它可以為任何圖形LCD提供不依賴于處理器和LCD控制器的具有類似Windows界面風格的圖形用戶接口。由于其100 %采用ANSI C編寫，使得μC/GUI適用于所有的CPU。

本車載氣壓高度表系統中采用320像素×240像素的256色彩色TFTLCD，并通過在STM32硬件平臺上移植嵌入式實時操作系統μC/OS-II和μC/GUI實現基于多任務的系統GUI設計[9,10]，最后制作并移植中文字庫以實現漢字顯示功能[11]。

利用μC/GUI設計了車載氣壓高度表主界面和儀表模式界面。在主界面模式下用戶可手動輸入參考點的氣壓、溫度以及高度等相關信息以實現氣壓高度表的校正。在儀表模式下，通過GUI界面設計實現對真實儀表盤的模擬，以使界面更為直觀與友好。

3 實驗測試與分析

圖3(a),(b)為2012年7月至8月某時間段內，對同一地點固定高度處進行現場數據采集獲得的氣壓和溫度。圖3(c),(d)為在以氣象臺發布的氣壓和溫度數據進行校正的實驗條件下，利用式(5)和式(6)計算得到的修正海平面氣壓和溫度。實驗中，由于無法準確獲知車載氣壓高度表系統平臺和氣象臺的準確高度，實驗采用氣象臺提供的數據信息計算得到的修正海平面氣壓，進行實時校正后，求相鄰2次測量高度差，以判斷本系統中的車載氣壓高度表系統精度。圖3(e)即為高度差曲線。分析圖3(e)可知，利用氣象臺提供的氣壓和溫度數據信息進行氣壓高度表實時校正后，相鄰2次測量高度差保持在約±10 m以內，且不隨時間變化伴隨的氣壓變化而發生大的波動。該誤差主要由于氣象臺提供的氣壓值以1 hPa為分辨率(相應高度分辨率約為9 m)，且1 h僅更新1次引起。故在忽略氣象臺數據精度影響下，經實時校正后的車載氣壓高度表長時間運行時，高度測量精度能夠保持在1 m左右。

圖3 氣象臺數據實驗條件下測量結果Fig 3 Experimental result under condition of meteorological data

為進一步驗證圖1所示的車載氣壓高度表系統精度，利用研制的車載氣壓高度表系統在氣壓不發生明顯變化的短時間內，對某已知海拔高度的建筑物進行單一基準點樓層相對高度測量。在建筑物第一層采用氣壓高度表當前測量氣壓和溫度值作為基準點的氣壓和溫度，測量結果如圖4所示。由圖4(c)可知，本系統設計的車載氣壓高度表測高精度優于1.2 m，具有較高的測量精度。

圖4 樓層高度測量Fig 4 Measurement of floor height

4 結 論

1)利用μC/GUI設計的車載氣壓高度表界面友好，尤其是儀表模式界面能夠很好地滿足用戶的車載儀表使用習慣。

2)實驗數據表明:本系統設計的車載氣壓高度表不僅在短時間內有較高精度，在忽略用于校正的基準點自身數據精度的影響下，經實時校正后，在長時間運行條件下，同樣能獲得較高測量精度，能夠很好地滿足車載氣壓高度表跨地域、長時間運行的工況要求，為建立基于氣壓測高原理的陸用高精度高度定位系統應用奠定了基礎。

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Design of high precision vehicle-oriented barometric altimeter based on STM32*

YU De-wen, LI Jin-yun, LI Fei

(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at requirements of high precision during cross region and long time running,system miniaturization,and user interface friendly,a vehicle-oriented barometric altimeter system based on STM32 hardware platform is designed.In this system,high precision silicon piezoresistive pressure sensors,pitot tube and related pipeline is used to make up of gas path system for air static pressure sampling, and through embedded real time operating system(RTOS)μC/OS-II and graphical user interface(GUI)μC/GUI,realize displaying of user interface based on multitask.Experimental results show that after being real time calibrated,vehicle-oriented barometric altimeter for long time running has high measurement precision prior to 1.2 m which well meets the height positioning precision requirement for barometric altimeter used by vehicles.

real time calibration; vehicle-oriented; barometric altimeter；gas path system

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0058—03

2014—03—06

高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110142120002)

TH 73；TP 274.2

A

1000—9787(2014)10—0058—03

余德文(1986- )，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統研究與開發。