基于單片機的大氣電場儀系統設計研究

李 力，譚濟民，陳 城，劉 雯

(1.湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢 430074；2.神農架林區氣象局，神農架 442400)

0 引言

隨著綜合氣象觀測網的不斷完善，中國已經建立起地基、空基、天基觀測系統，同時，數據處理、觀測保障等技術的發展進步，全面支撐起協調、可持續發展的綜合氣象觀測系統。新一代天氣雷達、閃電定位探測、GNSS/MET大氣水汽觀測、電離層測高儀等綜合氣象觀測系統通過對地面、高空以及空間范圍內的大氣圈和相關圈層的狀態及其變化過程展開長期、連續、系統地觀測，為提高氣象預報預測準確率、增強公共氣象服務能力等提供了堅實的基礎支持[1-4]。

當大氣電場發生改變時，其中的導體會產生一定量的感應電荷[5]。大氣中電荷分離的時候，對應的地面電場也會隨之改變，電場變化強度受大氣電荷的聚集程度與分布情況影響。所以利用大氣電場儀在地面附近探測出電場強度后，反算出對應高空區域的電場改變趨勢將對可能發生的雷電襲擊起到預警作用[6]。文章基于大氣電場探測原理，使用MSP430單片機硬件平臺、RT-Thread操作系統、C語言和IAR編譯器等手段設計并實現了大氣電場儀的硬件設計、數據通信、信號處理等部分[7-10]，并列舉了系統常見的故障原因與診斷方法。

1 結構組成與特點

1.1 系統結構組成

大氣電場儀主要由室外傳感器、電源模塊、防雷模塊、GPS定位校時模塊、串口服務器等主要部件構成，如圖1所示。

圖1 大氣電場儀組成結構

1.1.1 室外傳感器

信號采樣在傳感器內完成，傳感器核心部件密封于鋁制屏蔽空間內，阻隔外界環境與電磁干擾影響。傳感器采用單路12 V供電，電壓轉換、信號放大采集和數據處理均在傳感器內完成，系統高度集成的特點保證了信號不受外界環境干擾。傳感器具有電壓轉換濾波、信號處理放大、電機控制、相位判斷、溫度和電壓監測等功能。數據采集盒主要負責實時采集傳感器數據，及時上傳數據并存儲至SD卡，數據采集盒配置有SD卡、萬年歷時鐘芯片等功能模塊。數據采集盒中央處理芯片采用ARM Cortex-M3，其強大的處理能力可并行實現信號采集、數據處理分析和數據上傳存儲等工作，而且軟件系統后期升級便捷，功能擴展性強。

1.1.2 電源模塊

電源模塊安裝在交流電源箱內，能夠實現寬電壓輸入和高精度輸出。

1.1.3 防雷模塊

電源防雷模塊采用了可插拔式設計便于更換。當沿電源線傳入大氣電場儀的雷電電流超過避雷器保護水平時，電源防雷模塊首先放電，并將雷電電流經過良導體安全引入大地，利用接地裝置使雷電電壓幅值限制在大氣電場儀的雷電沖擊標準以下，使設備得到安全防護。

1.1.4 GPS定位校時模塊

GPS定位校時模塊集成在電源箱內的通信控制板上，對大氣電場儀進行定位和時鐘芯片定時校準。

1.1.5 串口服務器

串口服務器放置于室內，采用市電供電，一端與大氣電場儀的串口通信線連接以接收數據，另一端與室內網線連接將數據發送到指定IP地址。

1.2 系統功能特點

大氣電場儀是集成度很高的雷電活動觀測裝備，它將戶外傳感器探測到的電場數據經過模數轉換后利用串口通信實時發送至GPRS模塊、室內的計算機或服務器等設備，在接收數據傳送至客戶端后，使用中心站軟件讀取[11]。單站軟件安裝在室內計算機上，可直接顯示大氣電廠儀的探測數據和設備狀態[12]。其主要特點如下：

1)核心處理芯片采用低功耗、高性能的ARM芯片，完善了外圍電路，設備功耗更低、擴展性更強；

2)傳感器部分采用304不銹鋼材質，保證較長時間不受環境腐蝕；

3)傳感器與數據采集部分采用分體設計，便于維護管理，避免部分發生故障時更換整套設備；

4)上位機軟件具有組網功能，可并行接收、處理閃電定位數據，提高了雷電預警準確性；

5)電廠儀配置了GPS模塊，保證了數據時間的準確性；

6)通訊接口增加了防雷防浪涌保護器，使其免遭雷電沖擊。

2 系統源碼設計

采集器選用RT-Thread操作系統，軟件設計采用多線程，每個線程分別在運行、就緒、掛起3種狀態之間切換，內核基于時間片檢測各個線程狀態，根據就緒態線程的優先級確定執行優先級最高的線程，同時對其他就緒態線程進行排序，等待執行。通過互斥量、關閉中斷等確保臨界資源只被一個線程獨占操作。通過事件、消息隊列、郵箱等線程間通信機制保證各個線程的協調工作。

傳感器軟件基于MSP430單片機硬件平臺，使用C語言編寫，IAR編譯器進行編譯。軟件主要功能為測量電場值、溫度、電壓，控制電機轉速，識別輸入的命令與參數。考慮到更新維護，將MSP430的ROM分為4個區，分別為Information、User Code、Bak及Boot區，空白部分為片內RAM。其中，Boot區用來存放開機引導升級程序，通過1K-Xmodem傳輸協議來完成升級。

3 典型故障診斷

大氣電場儀的傳感器、電源模塊和防雷模塊等核心部件集成度高，傳感器與電源箱采用專用航空插頭總線連接，只有通信線纜需要人工接線，存在由于接線順序錯誤導致通信異常的隱患，可根據電源箱內串口接線端子的標識和指示燈判斷通信線纜是否連接正確。指示燈的狀態為：數據發送時，發送指示燈閃爍；數據接收時，接收指示燈閃爍；設備通電后，電源指示燈常亮。

4 結束語

隨著綜合氣象觀測業務全面發展，大氣電場探測系統已成為必不可少的重要技術手段。大氣電場儀測得的電場數據具有實時性，通過計算分析探測數據，利用預測模型對設備屬地附近一定區域范圍的大氣電場運動和雷電災害提前做出預警響應。文章通過介紹大氣電場儀的工作原理，詳細說明了系統的結構組成與功能特點，并深入講解系統源碼，列舉了常見故障現象與處理方式，為大氣電場觀測提供了有力的技術支撐。