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摘 要： 目前，我国主流自动气象站主要有CAWS600系列、ZQZ?F、DZZ2、Milos500、DYYZ等。野外现场对传感器工作状态的快速判断直接影响气象站的维护效率。气象传感器输出的电信号类型多，包括电压、电流、格雷码、脉冲、电阻等。针对目前气象传感器测量仪器的不足，提出一种手持式气象传感器测量仪，采用便携式结构，锂电池供电，低功耗处理器作为主控，结合CPLD和信号调理电路，能同时实现温度、湿度、风速、风向、雨量、辐射、蒸发、气压等气象传感器的输出测量。根据现场气象条件和测量结果，完成对传感器工作状态的判断。为气象装备保障人员赴野外现场维护和检修提供一种仪器手段。
关键词： 气象传感器； 自动气象站； 手持式测量仪； 现场维护
中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0131?04
Design of handheld detecting instrument for meteorological sensors
XU Wei1， 2， YANG Xu?sen1， 2， ZHANG Guang?yu1， 2， TANG Ying1， 2， LIU Jian?cheng1， 2， CAO Xian?jing1， 2， LAI Bin?fang1， 2
（1. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China；
2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）
Abstract： At present， the mainstream automatic weather stations in China are CAWS600， ZQZ?F， DZZ2， Milos500， DYYZ， etc. The swift judgment in field site on the operating state of sensors has a direct influence on the maintenance efficiency of weather stations. Meteorological sensors can output many types of electric signals， such as voltage， amperage， Gray code， impulse， resistance and so on. Owing to the lack of detecting instruments for meteorological sensors and the shortcomings brought by huge size of JJQ， a handheld detecting instrument for meteorological sensors was invented. This kind of portable instrument， powered by a lithium battery and controlled by a low?power CPU， is capable to achieve the output detection of temperature， humidity， wind speed， lithium batteries， wind direction， rainfall amount， radiation， evaporation and atmospheric pressure with the help of CPLD and signal conditioning circuit. This instrument can also judge the operating state of sensors according to weather conditions and the detected results. It is an advisable instrument for support personnel to maintain and repair meteorological equipments in field site.
Keywords： meteorological sensor； automatic weather station； handheld detecting instrument； maintenance in field site
0 引 言
目前，我国气象系统已装备6万余台自动气象站，实现了人工气象站与自动气象站的联合观测。野外恶劣环境易使自动气象站误差积累甚至产生故障。为提高自动气象站的数据观测质量，中国气象局规定自动气象需要定期进行检定和维护[1]。
笔者多次赴各省气象局调研发现，自动气象站的故障判断常常无法在现场进行。缺乏便携式仪器快速判断问题出在采集器还是传感器。通常做法是将传感器带回实验室，接上电源后通过万用电表测量电信号，人工转换为气象量后判断传感器是否存在故障。造成自动气象站的维护效率低。2012年，JJQ1型气象信号模拟器的推出为气象站提供了一种检定仪器，可完成多种气象要素信号的模拟输出和测量。精度高，主要应用于采集器的检定。 国外，Agient等公司生前有高精度的万用电表，可利用该仪器测量气象传感器的输出电信号，以判断故障。但采用该仪器进行现场故障诊断存在2个主要问题：
（1） 测得的电信号需要根据电信号和气象量之间的函数关系，人工转换为气象量，测量结果不直观；
（2） 通用仪器通常能完成电压、电流、电阻的测量，而格雷码、脉冲个数等的测量就无能为力。而气象传感器风向输出为格雷码。雨量、风速等通常以脉冲频率来表示强度。
通过分析主流自动气象站包括维萨拉公司的MILOS500型、北京华云公司的CAWS600型、江苏省无线电研究所有限公司的ZQZ?A、ZQZ?C型、广东气象研究所的WP3103型、天津气象仪器厂的DZZ1型等气象传感器输出电信号的形式[2?4]，设计测量电路，根据电信号和气象量的函数关系，将测量结果以气象量和电量两种形式显示。仪器输入接口采用菲尼克斯的传感器电缆，减小仪器面板的同时具有极低的接触电阻。
1 系统总体方案
为设计不同气象要素传感器的测量电路及输入接口，通过调研分析气象传感器的输出信号类型、电信号和气象量之间的函数关系，如表1所示。
表1 气象传感器输出信号特征
表1中HMP45D和EL15?1/1A分别为温湿度和风速风向一体化传感器。8种气象传感器输出信号的类型可分为模拟量、数字量两大类型。模拟量利用信号调理电路和单片机完成测量，数字量通过CPLD模块实现。为延长系统在野外现场使用时间，系统采用低功耗处理器MSP430系列单片机作为主控制器。温度传感器输出的为电阻量，主控制器控制电流源提供激励，电阻量转化为电压量后经A/D送主控制器处理。其他模拟量经信号调理和A/D后送主控制器计算并换算成气象量。数字量由CPLD模块测量。低功耗的TFT屏显示当前测量值、电池电量等信息，电源采用锂电池，配有充放电管理电路。存储器用于存储校正参数、气象量与电信号的换算系数等。系统总体方案如图1所示。
图1 系统总体框图
2 系统电路设计
2.1 HMP45D温度传感器输出测量
气象上常用的HMP45D为温湿度一体传感器。温湿度传感器内置微形铂电阻测量气温，无源电阻输出。利用铂电阻的阻值正比于温度变化的原理，通过测量阻值来测温度[5]。图2为测量电路，ADC采用24位低功耗、低噪声、内置电流源的AD7793。AD7793的IOUT1输出电流设置为1 mA，电流流过传感器铂电阻R1和标准电阻R2。利用标准电阻R2上的电压作为ADC的参考电压。AD7793的通道1测量铂电阻两端电压。通过电压比，测量电阻值。
图2 温度测量电路
电路从以下几个方面提高测量精度：
（1） 采用四线制测量铂电阻R1的阻值，R1的电流和电压支路导线分开，克服了二线制测量时导线引起的误差；
（2） 将高精度±0.01%、极低温漂±2 PPM/℃的UPR型精密电阻上的电压作为参考电压。测量精度不受内置电流源精度的影响。
（3） AD7793为24位Σ?Δ型ADC，均方根（RMS）噪声仅为40 nV。
（4） 采用光耦隔离ADC的总线、DC?DC隔离电源以减小系统干扰。
2.2 湿度、气压、辐射、蒸发的测量
湿度、气压（电压输出形式）、辐射传感器输出均为模拟电压信号，输出电压范围有差异。针对其信号特点，结合ADC参考电压值，设计低噪声和低温漂的放大电路，将模拟信号放大到合适范围后送入高分辨率的A/D转换器，转换后的数字量送g至主控制器进行信号处理，得到对应的气象量。
采用AD623集成单电源仪表放大器作为传感器输出模拟电压的调理电路， AD623可采用单电源供电，湿度、气压、辐射的传感器输出电压范围不同，只需改变反AD623 的1脚和8脚之间的电阻即可调节其增益。且其失调电压极低，直流电压漂移为微伏级，具有很高的共模抑制比。如图3为湿度传感器的测量电路，湿度信号Hum（0～1 V电压信号）经仪表放器后输出电压为：
[Vo=（1+100kR3）Hum]
选取[R3=100 kΩ]，则湿度传感器调理后的输出范围为：0～2 V，尽可能覆盖模数转换的输入电压范围以提高精度。为尽可能减小系统功耗，选用极低功耗专门为便携式仪器而设计的轨到轨精密运算放大器TLV2461作跟随器，其输入失调电压也为微伏级。
图3 模拟电压量调理及测量电路
信号调理后，采用16位高精度、低电流消耗、内部低漂移电压基准的ADC。其含有两个差分通道。做单端输入方式时，具有4个通道。刚好可满足湿度、气压、辐射、蒸发传感器输出模拟量的测量。其中蒸发输出为电流量[6?7]，在设计其信号调理电路时，可利用精密电阻和运放构成I?V转换后再放大测量。图3中的U4为ADS1115，采用3.3 V供电方式，其内部含有一个可编程增益的放大器。通过设置其控制寄存器的PGA2、 PGA1、 PGA0三位的值为010，使其测量范围为0～2.048 V。
2.3 数字量（风速、风向、雨量）的测量
风速传感器输出的是与风速成正比的脉冲信号。采用可编程逻辑器件CPLD对其脉冲计数，主控制器根据频率和风速的关系计算出风速，并送显示屏显示。
雨量传感器通常为翻斗式，传感器的计数翻转一次，输出一个脉冲信号，为0.1 mm雨量值。雨量信号输入和电信号转换电路同风速信号处理电路类似。脉冲信号经处理后送 CPLD模块计数，计数值通过主控制器变换处理后得到雨量值。 风向传感器输出的信号为并行格雷码。风向传感器的输出经保护电路、缓冲器后，送CPLD，CPLD将格雷码值并行传输至主控制器，主控制器通过格雷码和风向之间的转换关系，计算风向。
上面3种数字量的测量电路相同。均先通过图4所示的输入保护电路、缓冲器后进入CPLD。
图4 数字量输入保护及缓冲电路
CPLD的端口分配如图5所示。MCU_DATA0～ MCU_DATA7为主控制器和CPLD模块的通信数据端口。CPLD将计数值通过通信口发送至主控制器。主控制器完成气象量和脉冲量之间的换算。WrMCu和RdMcu为单片机读写CPLD的控制线。Wind，Rain，Gray0～Gray5为雨量、风速、风向传感器输出的脉冲信号及6位格雷码。网络标号带有TFT的为系统显示屏的数据和控制端口。
3 系统测试
JJQ1型气象信号模拟器可以模拟多种气象传感器的输出信号。利用该装置，参考气象传感器检定规程，设定输出要素和部分特征值，将其接入本系统，通过比对设定值和系统测量值，验证系统性能，结果如表2。
图5 CPLD端口分配
从表2中可以看出，风速、雨量、风向传感器输出的为数字量，频率也较低。测量值和设定值完全一致。而模拟量存在一定的测量误差。其中辐射的误差较大。JJQ1模拟器输出的直流电压非常微弱，如10 w/m2的辐射信号对应的电压为100 μV。通过反复试验并用NI公司采集卡采集该电压信号，发现空中电磁场在输出信号上产生了很多噪声。造成系统的测量值波动较大。下一步将考虑在电路板上设置屏蔽盒来减小干扰。
4 结 语
根据8种常规气象传感器的探测原理和输出电信号特征，设计了便携式气象要素测量系统。系统采用低功耗主控制器和运放、便携式结构、锂电池供电，能提供气象要素传感器工作电源，非常适合于气象传感器的野外现场检测。系统软件根据气象传感器的电信号和气象量的曲线关系，测得的数值以气象量的形式直观显示，便于气象业务人员现场做出故障判断。系统采利用菲尼克斯的传感器接线电缆作为接插件，降低了接触电阻。所设计的系统为气象站的现场故障判断提供了一种仪器手段。
参考文献
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