多路氣壓檢定系統的設計與實現

陸 揚，李 迪，朱 君，董立亭

(1.貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象災害防御技術中心， 貴州 貴陽 550002；3.重慶市氣象局，重慶 404100)

0 引言

目前國內氣象傳感器的計量檢定工作已基本實現自動化處理，但存在操作繁瑣、效率低下、配套設備成本較高等情況。特別是在氣壓檢定過程中，只能采用單路傳輸采集的方式，且數據讀取、處理還依托于人工填寫和計算，存在很大的人工誤差隱患。因此，研制一種操作簡便、穩定性好，可實現批量檢測的自動氣象站計量檢定綜合管理系統，對推動氣象計量檢定工作的自動化、規范化具有深遠的意義[1]。

氣象上使用的的氣壓傳感器主要采用的是Vaisala的PTB220、PTB330兩款型號的傳感器[2]，該兩款傳感器均為智能傳感器，直接輸出RS232數字信號，現在主要采用單個檢定方法，并人工進行記錄數據，檢定方式較為簡單，費時費力，存在工作效率低、操作不便、存在人工誤差等問題，本文研發的多路氣壓檢定系統，該系統采用MOXA-Nport5650-8-DTL型號的串口服務器，提供了8個RS-232/422/485的三合一串口，最多實現8個氣壓傳感器同時檢定，改變一次只能檢定一個氣壓傳感器的現狀，解決了氣壓傳感器檢定效率低的問題；可對檢定數據進行處理，檢定數據可存儲、導出，改變氣壓檢定數據仍采用人工記錄的方式，排除了人工誤差。多路氣壓檢定系統還適用于市州級移動氣象計量校準維修系統中的氣壓校準核查，可實現多路同時進行校準核查，便于市州局開展骨干站、區域站的校準工作，能夠提高效率。

1 多路氣壓檢定系統設計與實現

1.1 系統總體結構

多路氣壓檢定系統分為硬件和軟件兩個部分，總體結構如圖1所示。硬件部分：硬件采用MOXA-Nport5650-8-DTL型號串口服務器，該串口服務器能夠提供8個RS-232/422/485的三合一串口，擁有多串口通信功能，通過硬件電路的設計與改造，可完成氣壓傳感器的直接接入，實現8個氣壓傳感器同時進行檢定，為多路氣壓檢定系統提供硬件支持。軟件部分：基于Win7系統進行上位機軟件設計，通過C#語言編寫，設計出的上位機軟件可以實現8個氣壓傳感器的采集數據的存儲、計算，實現對8個氣壓傳感器的設置功能，包括參數設置、指令交互等。

1.2 系統硬件設計

多路氣壓檢定系統的硬件部分主要由串口擴展模塊、電源控制模塊、串口服務器3個功能模塊組成，其中串口擴展模塊是采用專門串口擴展芯片進行并行串口擴展，此方法利用CPU并行數據線和地址線與串口芯片連接，將串口芯片作為外部UART使用，可同時接入多個氣壓傳感器信號，并能夠實時進行數據交互，通過并行口擴展的串口的方式簡便、靈活，易于實現。電源模塊控制模塊：多路氣壓檢定系統外部由12 V直流電源供電，其中串口服務器需要9～15 V直流供電，氣壓傳感器需要12 V直流供電，因此直接采用交流220 V轉直流12 V電源適配器進行直接供電，同時為8個氣壓傳感器以及串口服務器供電，并對設備有電源保護的作用，當出現短路情況電源控制模塊會自動斷開；串口服務器實現的就是最核心的部分，通過在串口服務器中的Linux操作系統上安裝Real COM驅動程序，可以將串口服務器上的實體串口映射到系統中去，通過以太網控制芯片實現串口到以太網數據的轉換，這樣通過一根網線就能夠實現與電腦中上位機軟件的實時通信，對氣壓傳感器進行指令交互及參數設置[3]，如圖2所示。

圖2 多路氣壓檢定系統硬件部分Fig.2 Multi-channel air pressure verification system hardware part

1.3 系統軟件件設計

多路氣壓檢定系統的軟件部分需要主要是基于C#語言進行開發，實現上位機界面顯示功能、數據通信功能、指令設置功能及數據存儲功能。在打開上位機軟件之前，必須安裝MOXA串口服務器專用的串口驅動軟件，即“NPort Administrator”，可實現對串口服務器的相關設置，主要設置串口服務器的IP 地址、串口通訊協議、串口操作模式及串口編號等，如圖3所示，點擊“Configuration” 進入參數修改界面，一般修改串口服務器的IP地址使其和PC機對應的網卡IP地址在同一網段后，點擊“Com Mapping”進行端口映射，是將串口服務器對應的端口號映射成PC機上的串口號，最后點擊”Apply”完成映射，上位機軟件就能夠利用與串口服務器匹配的虛擬串口號進行數據交互。

圖3 NPort Administrator界面Fig.3 NPort Administrator interface

上位機界面顯示功能利用界面設計將8串口數據收發同時顯示在軟件界面中，方便技術人員進行操作及使用，如圖4所示，氣壓檢定的數據會顯示在1～8每個氣壓檢定窗口的數據接收區。

圖4 多路氣壓檢定系統軟件界面Fig.4 multi-channel air pressure verification system software interface

數據通信功能及指令相互功能是通過上位機中單個氣壓檢定數據收發功能模塊實現，如圖5所示，可以配置傳感器通信參數，顯示接收數據，發送調試指令等。

圖5 單個氣壓檢定數據收發功能模塊Fig.5 Single air pressure verification data transceiver function module

數據存儲功能是實時的將所接收到的氣壓檢定數據進行存儲，數據存儲的方式按氣壓檢定端口及時間進行存儲(年月日)，軟件中可以對數據存儲路徑進行設置及存儲路徑的查詢，方便技術人員操作，如圖6所示。

圖6 數據存儲功能模塊Fig.6 data storage function module

2 系統測試

經過系統的軟硬件設計、調試后，設計出了多路氣壓檢定系統樣機，如圖7和圖8所示。

圖7 多路氣壓檢定系統樣機外觀Fig.7 Multi-channel air pressure verification system prototype appearance

圖8 測試中的多路氣壓檢定系統Fig.8 Multi-channel air pressure verification system in the test

系統測試是多路氣壓檢定系統開發的重要部分，也是產品應用前必須經歷的一個環節。多路氣壓檢定系統軟硬件設計、調試完成后，為了保證系統在氣象業務中穩定運行，必須要進行系統樣機的測試工作。

2.1 測試內容及測試條件

在測試多路氣壓檢定系統時，要保證其功能的正確性，包括端口參數配置測試、多路數據傳輸測試、數據存儲功能及穩定性等。

測試條件包括一臺筆記本電腦、上位機軟件、氣壓傳感器及本系統，直接將氣壓傳感器接入多路氣壓檢定系統進行數據采集及指令交互[4]。

2.2 功能驗證

2.2.1 端口參數配置測試 通過多路氣壓檢定系統軟件上位機軟件可以打開與各氣壓傳感器對應的數據收發功能模塊，可直接進行通信端口參數配置，配置成功后可實現指令交互，如圖9所示，發送指令‘R+回車’，氣壓傳感器的采集數據直接返回至接收區。

圖9 端口參數配置測試Fig.9 port parameter configuration test

2.2.2 多路數據傳輸測試 同時接入多個氣壓傳感器進行測試，端口參數進行正確配置后發送指令‘R+回車’，接收各氣壓傳感器實時數據，如圖10所示。

圖10 多路數據傳輸測試Fig.10 Multi-channel data transmission test

2.2.3 數據存儲功能 數據接收后數據文件按照路徑進行存儲，存儲方式自動按照各氣壓傳感器編號及年月日進行分類，最終以TXT文件的形式進行存儲，如圖11所示。

圖11 數據存儲功能Fig.11 Data storage function

2.3 系統穩定性測試

測試條件：多路氣壓檢定系統接入8個氣壓傳感器進行檢定，氣壓標準器分別輸入500 hPa、600 hPa、700 hPa、800 hPa、900 hPa、1 000 hPa、1 100 hPa測試點，接入后系統不斷電工作100 h，測試系統是否發生死機；針對每個測試點隨機抽樣10組數據進行計算，觀察誤差值波動度，判斷檢定數據是否出現跳變，是否能夠穩定采集[5]。

測試結果：系統能夠穩定運行，未出現死機情況；檢點數據未出現較大波動，如表1所示。

表1 抽樣數據誤差Tab.1 Sample data error

3 系統應用情況

本次設計完成了多路氣壓檢定系統的所有基本功能，實現了8個氣壓傳感器檢定數據的同時采集、傳輸、存儲，提高了檢定效率，改變氣壓傳感器的檢定現狀，排除了人工檢定帶來的誤差。多路氣壓檢定系統的設計與實現對氣壓傳感器計量檢定工作的自動化、規范化具有重要意義。