基于壓電效應(yīng)的FPGA降水粒子測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉清惓， 朱俊豐， 杜 虹， 郭 薇， 韓上邦， 王勛濤

(1．江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044; 2．南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

0 引 言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，天氣現(xiàn)象的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事活動(dòng)起著越來(lái)越重要的作用。降水是指液態(tài)、固態(tài)或混合態(tài)水凝(凍)物從空中下落到地面這一過(guò)程，作為一類(lèi)重要的天氣現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行精確地觀(guān)測(cè)亦具有重要意義。現(xiàn)階段對(duì)于降水粒子的測(cè)量方法主要分為傳統(tǒng)測(cè)量和現(xiàn)代測(cè)量?jī)深?lèi)[1]。

目前，氣象觀(guān)測(cè)中主要依靠傳統(tǒng)的測(cè)量方法，即人工觀(guān)測(cè)區(qū)分不同降水類(lèi)型，利用翻斗雨量計(jì)、雨量筒等測(cè)量降水強(qiáng)度和降水量，這些方法對(duì)人的依賴(lài)程度高，自動(dòng)化觀(guān)測(cè)水平低，不適合對(duì)大量數(shù)據(jù)處理分析并尋找規(guī)律，且得到的降水觀(guān)測(cè)資料的時(shí)間和空間分辨率均難以滿(mǎn)足當(dāng)前大氣科學(xué)研究、精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的需求。

在現(xiàn)代測(cè)量中以光學(xué)降水測(cè)量技術(shù)為主，主要原理是降水微粒的大小、形狀、降落速度和密度會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率發(fā)生變化，通過(guò)分析降水下落時(shí)調(diào)制光束的脈沖特征即可判別降水類(lèi)型。此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)降水現(xiàn)象的連續(xù)、非接觸、自動(dòng)觀(guān)測(cè)，提供高時(shí)間分辨率的降水粒子微物理信息，目前比較成熟的有芬蘭Vaisala公司的PWD系列[2]；美國(guó)ASOS的LEDWI系列；WIVIS的OSI,OWI系列等傳感器。但此種測(cè)量方式成本高昂，校準(zhǔn)頻繁復(fù)雜，使用壽命短，且適用環(huán)境苛刻，易受灰塵、高溫、高濕等因素的影響[3]。

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法存在的局限，本文將壓電效應(yīng)原理應(yīng)用于降水粒子的感測(cè)，并設(shè)計(jì)了以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)為核心，多路并行數(shù)據(jù)采集的降水粒子觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。由于降水粒子的形態(tài)多樣且直徑范圍大，因此，壓電傳感器件的響應(yīng)信號(hào)幅值范圍廣[4]。在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，大粒子信號(hào)可達(dá)34 V，系統(tǒng)的前端信號(hào)處理電路須將其衰減至少10倍，才可以完整地將其采集。為實(shí)現(xiàn)對(duì)小粒子的測(cè)量，本系統(tǒng)還需具備對(duì)低至50 mV的微弱電壓信號(hào)的采集和分析能力。對(duì)此，本系統(tǒng)采用的方法是將傳感器的信號(hào)按峰值分成小于300 mV，300 mV～3 V，3～30 V，大于30 V4個(gè)區(qū)間，其模擬電壓增益分別為10，1，1/10，1/100，這樣既可以滿(mǎn)足大幅信號(hào)的測(cè)量，又可以提高系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)測(cè)量的分辨力。經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)分由四路高速ADC進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，將測(cè)得的數(shù)據(jù)分析換算后，還原粒子的特征參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)降水粒子的測(cè)量。

1 降水粒子觀(guān)測(cè)系統(tǒng)原理

1．1 壓電傳感器基本原理

如圖1所示，沿x軸方向施加外力Fx時(shí)，在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Q=d·Fx，其中，d為壓電常數(shù)。當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時(shí)，可以把壓電元件等效為一個(gè)電壓源與一只電容器相串聯(lián)的電壓等效電路，在開(kāi)路狀態(tài)，其輸出端電壓為：Ua=Q/Ca，其中,Ca為兩電極的極間電容[5]。當(dāng)外電路接入負(fù)載RL，且不是無(wú)窮大時(shí)，電路以時(shí)間常數(shù)RL·Ca放電。

圖1 壓電器件與前置電路等效圖

1．2 降水粒子信號(hào)觀(guān)測(cè)基本原理

由上述可知，壓電傳感器接入前置放大電路后，該部分電路可等效為圖1所示結(jié)構(gòu)。其中,R和C分別表示前置放大器的等效輸入電阻R=RaRi/(Ra+Ri)；等效輸入電容C=Cc+Ci,Ra為測(cè)量電路的漏電阻，Ri為放大器輸入電阻；Cc為測(cè)量電路聯(lián)線(xiàn)分布電容(電纜電容)，Ci為放大器輸入電容[6]。

假設(shè)降水粒子作用在壓電傳感器上的軸向力為

(1)

其壓電系數(shù)為d，則壓電效應(yīng)為

(2)

等效電壓源的端電壓Ua(t)=Qa(t)/Ca,所以，前置放大電路輸入電壓為

(3)

(4)

經(jīng)測(cè)試,式中等效輸入阻抗R值為60 MΩ，壓電器件極間等效電容Ca為40 nF，C為pF量級(jí)，遠(yuǎn)小于Ca，可忽略，則有測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)τ=R(Ca+C)≈2.4。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)ω值的量級(jí)大于1 000,即ωτ?1，則有

(5)

(6)

此時(shí)的電壓靈敏度為

(7)

由公式(6)的推導(dǎo)過(guò)程可知，壓電傳感器接入前端放大電路，電路輸出信號(hào)的模Uom與作用力F具有一定的線(xiàn)性關(guān)系。這給本文采用壓電傳感器觀(guān)測(cè)降水量粒子提供了理論支撐[7]。為得到降水粒子撞擊壓電傳感器件的響應(yīng)信號(hào)特征，實(shí)驗(yàn)采用示波器觸發(fā)觀(guān)測(cè)撞擊瞬間波形，如圖2所示。固態(tài)粒子的響應(yīng)信號(hào)中載有傳感器結(jié)構(gòu)的高頻機(jī)械諧振信號(hào)，而液態(tài)粒子則沒(méi)有產(chǎn)生高頻諧振信號(hào)。其主要原因是液態(tài)具有表面張力且具有阻尼特性，故未能激發(fā)高頻諧振，因此,可以利用此特征來(lái)區(qū)分固液兩態(tài)的信號(hào)[8]。

圖2 不同降水粒子的響應(yīng)信號(hào)波形

2 降水粒子觀(guān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。本系統(tǒng)主要包括：壓電傳感器、前置放大電路、多路并行A/D轉(zhuǎn)換器、基于FPGA數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及基于MSP430微控制器的數(shù)據(jù)后處理模塊。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.1 模擬前端電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用直徑50 mm的壓電陶瓷片作為前端傳感元件，選用INA163儀表放大器作為前端信號(hào)放大和跟隨器件，選用反向擊穿電壓Vz為3.9 V的齊納二極管IN5228，用于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器輸入口過(guò)壓保護(hù)。A/D轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的16位并行高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS8471，ADS8471在滿(mǎn)足1 MSPS采樣率的同時(shí)，還具有良好的噪聲抑制、優(yōu)異的誤差控制以及數(shù)據(jù)高效便捷的并行傳輸能力等優(yōu)勢(shì)。

2.2 FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Altera公司Cyclone II系列FPGA中EP2C8Q208C8N作為系統(tǒng)的主要控制與數(shù)據(jù)采集處理核心器件。系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)包含A/D驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)緩沖模塊和MCU通信控制模塊。

A/D驅(qū)動(dòng)模塊包括：1)ADS8471驅(qū)動(dòng)模塊，用于直接驅(qū)動(dòng)ADS8471實(shí)現(xiàn)一次A/D轉(zhuǎn)換操作；2)轉(zhuǎn)換速率控制模塊，用于控制A/D轉(zhuǎn)換速率，以實(shí)現(xiàn)不同采樣速率的快速控制；3)數(shù)據(jù)輸出控制模塊，將數(shù)據(jù)以穩(wěn)定時(shí)序規(guī)則對(duì)外(其他模塊)輸出。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括：1)數(shù)據(jù)緩存模塊，用于緩存一定數(shù)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供判別模塊調(diào)用；2)有效信號(hào)起止點(diǎn)判別模塊，判斷出一次完整降水粒子信號(hào)的起始點(diǎn)與結(jié)束點(diǎn)；3)信號(hào)峰值、積分值與時(shí)間跨度計(jì)算模塊，計(jì)算出此次粒子信號(hào)的峰值、積分值與時(shí)間跨度3個(gè)特征值，以作數(shù)據(jù)后處理；4)數(shù)據(jù)輸出控制模塊，將3個(gè)特征數(shù)據(jù)打包并對(duì)外輸出。

數(shù)據(jù)緩沖模塊：采用異步FIFO將預(yù)處理得來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，待MCU通信控制模塊讀取和傳輸。

MCU通信控制模塊[9]：檢測(cè)到FIFO不為空時(shí)，將數(shù)據(jù)從FIFO中讀出，并為數(shù)據(jù)加上起始位和校驗(yàn)位，再向單片機(jī)發(fā)送通信中斷請(qǐng)求，待響應(yīng)后將數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)。FPGA與單片機(jī)通信采用8位數(shù)據(jù)線(xiàn)加1位握手信號(hào)線(xiàn)共9線(xiàn)的并行數(shù)據(jù)傳輸模式，實(shí)現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 MCU數(shù)字電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為后處理器，主要功能是：根據(jù)FPGA初步計(jì)算得來(lái)的粒子的3個(gè)特征值，計(jì)算得出該粒子的物理特征參數(shù)(如直徑)，后通過(guò)RS—232串口上傳至PC。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)線(xiàn)性度測(cè)試

系統(tǒng)對(duì)于各個(gè)峰值段的信號(hào)的線(xiàn)性度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4(a)，(b)，(c)分別為增益10，1，1/10測(cè)試結(jié)果線(xiàn)性分析圖。

圖4 增益10，1，1/10的線(xiàn)性度測(cè)試圖

由數(shù)據(jù)的線(xiàn)性擬合函數(shù)可以得出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有良好的線(xiàn)性，且增益為1時(shí)最佳，不同增益情況下系統(tǒng)伴有不同程度的整體偏移。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后處理程序時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)線(xiàn)性擬合函數(shù)加入程序，以更好地還原出激勵(lì)信號(hào)。

3.2 量化粒子測(cè)試

將系統(tǒng)線(xiàn)性擬合函數(shù)加入數(shù)據(jù)后處理程序后，進(jìn)行此階段測(cè)試。本測(cè)試采用不同尺寸粒子激勵(lì)系統(tǒng)，獲得對(duì)于不同尺寸粒子系統(tǒng)的響應(yīng)特征函數(shù)。實(shí)驗(yàn)中分別采用直徑為2,3,4,5,6,7,8,9.3,10 mm粒子，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下撞擊系統(tǒng)，得到圖5所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布和擬合函數(shù)圖

如圖5所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布擬合出對(duì)于不同尺寸粒子激勵(lì)的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)

F(x)=0.006 2x4-0.162 9x3+1.602 4x2-

3.089 3x+ 2.133 5.

其均方誤差R2=0.996 9，再將此函數(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)后處理程序中，直接計(jì)算出粒子尺寸。

3.3 系統(tǒng)全量程測(cè)試

在前2次實(shí)驗(yàn)完成且將數(shù)據(jù)后處理程序優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全量程測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于壓電傳感器件的新型感測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的降水粒子信號(hào)采集處理系統(tǒng)。在系統(tǒng)粒子算法設(shè)計(jì)中，將各增益的系統(tǒng)響應(yīng)擬合函數(shù)和各粒子的響應(yīng)擬合函數(shù)，應(yīng)用于系統(tǒng)的粒子尺寸還原算法，

有效降低了電路系統(tǒng)引起的線(xiàn)性誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)對(duì)于粒子直徑觀(guān)測(cè)誤差小于±0.1 mm，具有精度高、響應(yīng)快、粒子判別準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在降水粒子觀(guān)測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 孫學(xué)金,王曉蕾,李 浩,等.大氣探測(cè)學(xué)[M].北京：北京氣象出版社,2009.

[2] Vaisala.現(xiàn)時(shí)天氣現(xiàn)象傳感器[EB/OL].[2013—06—18].http:∥cn.vaisala.com/cn/products/presentweathersensors/Pages/default.aspx.

[3] 高太長(zhǎng),劉西川,劉 磊,等.自動(dòng)氣象站及氣象傳感器發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008,29(8):127-133.

[4] Barnhart G J.Predicting hail size using model vertical velocitie-s[D].Monterey,CA:NAVAL Postgraduate School,2008:3.

[5] 方 科,李欣欣,楊志剛,等.壓電式能量獲取裝置的研究現(xiàn)狀[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(10):7-10.

[6] 賈菲·B.壓電陶瓷[M].林聲和,譯.北京:科學(xué)出版社,1979.

[7] Tressler J F,Alkoy S,Newnham R E. Piezoelectric sensors and sensor materials[J].Journal of Electroceramics,1998,2(4):257-272.

[8] Sokhanvar S,Dargahi J,Packirisamy M.Influence of friction on piezoelectric sensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,141(1):120.

[9] 馮春陽(yáng),張遂南,王 瑋,等.基于FPGA 的三線(xiàn)制同步串行通信控制器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009,35(9):54-56.