自动气象站采集器的温度通道检定仪

徐 伟，行鸿彦

(1．江苏省气象传感网技术工程中心，南京信息工程大学，江苏南京 210044；2．江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京信息工程大学，江苏南京 210044)

0 引言

自动气象站广泛应用于气象、农业、环保、机场等领域。我国气象部门已装备6万余台自动气象站，主要型号有：CAWS600、ZQZ-F、DYYZII、DZZ2以及第二代气象站ZQZ-BH、CAWS3000等[1]。自动气象站主要由数据采集器和多个气象传感器组成，采集器的处理性能直接影响数据的观测质量。采集器主要由主控制器和气象要素信号调理电路组成，温漂和干扰常导致测量误差增大[1-2]。气象部门规定自动气象站必须进行定期检定。

自动气象站采集器根据Pt100铂电阻阻值与温度的关系，通过测量电阻阻值计算温度值。根据气象检定规程，采集器的温度通道检定需要提供约十一个档位的电阻信号[3]，通过比对采集器的测量值和电阻的实际值，分析其测量误差。

近年来，气象仪器厂家研制了ZQZ-JC、CQSSJ-1型气象信号发生器[3]，通过继电器控制输出多个标准电阻来模拟温度，认为输出的阻值不变，但继电器接触电阻和阻值漂移都是在变化的。2011年，设计了JJQ2型气象信号模拟器[4]，采用有源电阻网络来模拟多个温度信号。但不同厂家的采集器输出激励电流大小和持续时间不同，造成有源电阻网络和部分采集器不匹配。在这些研究基础上，构造了无源电阻网络的四线制测量和输出回路，使系统模拟的温度值实时显示，供采集器测量比对，克服了现有仪器忽略了电阻年漂、继电器接触电阻的变化带来检定结果误差大的问题[5]。

1 系统设计原理

Pt100的阻值是随着气温而变化的。采集器通过四线制测量Pt100电阻的阻值来测量气温[1，6]。图1为测量原理。采集器向Pt100提供一个恒定的电流激励I，通过测量电阻R两端的电压计算阻值并换算成温度。表1列出了不同气温下Pt100的电阻值。

图1 采集器四线制测温原理

气象检定规程规定可选取几个温度点对采集器进行检定。检定仪器可输出多个档位的准确温度信号——电阻，将设定的温度值同采集器的测量值比对，即可判断采集器的性能。根据温度和阻值的关系，输出电阻的精度在15 mΩ以内时，才可用来对采集器进行计量检定。

表1 不同气温下Pt100的阻值

传统的检定方法如图2中粗实线所示。用11个不同阻值的标准电阻R1、R2、…、R10组成网络，设定某个温度值后，通过继电器K1、K2、…、K10切换输出电阻，采集器测得的阻值和标准电阻的阻值(认为标准电阻的阻值不变)比对来判断误差。但电阻的漂移和继电器接触电阻的变化，A、B之间输出给采集器的电阻阻值抖动通常在30 mΩ以上，不满足计量检定的要求。

图2 检定系统原理示意图

系统引入实时测量和四线制切换电路，如图2。电阻网络选用UPR型超精密金属膜电阻(精度为±0.01%，温度系数为±2 ppm/℃，额定功率为0.25 W)，阻值如表1所示。设定某个电阻输出后，通过继电器构造四线制测量电路，将实时阻值及对应的温度显示在面板上，然后断开内部测量电路，以四线制形式将电阻输出到外部端口供采集器测量，对比两个测量值实现采集器的检定。具体工作流程如下：

(1)电阻网络形成。通过按键设定需要模拟的温度，如设定输出-50 ℃(对应电阻为R1)，则继电器K1闭合，其余断开。R1接入A、B之间。

(2)四线制测量。系统内部测量R1的实时值。双刀双掷继电器K11和K12闭合，构成四线制测量回路。输出电流I1，测量A、B两端电压，计算R1的实时值并换算成温度T1。

(3)四线制输出回路。瞬间的测量完成后，K11和K12断开，K13和K14闭合，R1以四线制送到输出端口供采集器测量并换算成温度值T2。

(4)数据比对。根据T1与T2计算采集器的误差。

系统和采集器测量时导线长度(对应于PCB上线路长度)不同，但由于均采用四线制方法测量，线路的长度不影响测量值，测得的均为A、B之间的阻值。且两次测量时A、B间电阻网络没有变化，均包含了继电器闭合时的接触电阻，接触电阻就不会带来测量误差。

2 系统硬件设计

2．1系统框图

采集器的检定常常在野外现场进行，功耗尽可能低以增强电池的续航能力。MSP430单片机功耗和口线输入漏电流远低于其他系列产品[7]。以MSP430F149为主控制器，通过CPLD扩展I/O口，驱动TFT显示屏、继电器等。系统框图如图3。

图3 检定系统硬件结构

采用高精度、低功耗、内部自带电流激励、低噪声的模数转换器AD7793设计电阻测量电路。测得的实时电阻(温度)通过TFT屏显示。CPLD控制继电器以构造四线制测量和输出回路。设计校准电路，将阻值偏差写入存储器中。系统开机后，读取存储器的校准值以修正输出。

2．2电源模块设计

分别设计数字和模拟部分的电源电路。模拟测量电路采用低静态电流、低输入输出压差的线性稳压芯片以提高测量精度并降低功耗，如图4。

图4 系统电源电路

锂电池电压通过开关型稳压芯片LTC3621后得到+5 V电压。LTC3621输入范围为2.7～17 V，电池电压波动情况下，仍保持稳定的输出。最大效率为95%，额定电流输出为1 A，满足整机负荷。

测量电路工作电压为5 V．开关电源的高转换效率和线性电源的低噪声确保低功耗和测量精度。LTC3621的输出为0.6×(1+R403/R401)=5.5 V，LTC1763为极低输入输出压差(300 mV)和极低静太电流(30 μA)的线性调压器，将5.5 V稳压得到5 V电压AVCC_+5 V．

采用温度系数±0.02%/℃、纹波≤10 mV、输出功率1 W的DC-DC变换器进行电源隔离。输出RES_M_+5 V为测量电路的A/D提供工作电压，线性稳压后得到的3.3 V电压VA33为总线隔离芯片提供电源。

2．3主控制器和CPLD扩展模块

系统主控制器最小系统及其接口分配如图5所示。TFT显示模块和四线制电路构造模块需占用较多的I/O口资源。利用单片机挂接CPLD扩展I/O口。CPLD的I/O口分配如表2。

2．4四线制测量模块

图6为0 ℃的档位控制电路。CommA，CommB为档位公共端，继电器的2、3触点常态断开，设定输出0 ℃时，CPLD端口Relay_0控制继电器3、4闭合，将电阻R142接入网络CommA和CommB中。

电阻档位设置完成后，构造四线制电阻测量回路，如图7所示。CPLD的端口Relay_ResMeaA和Relay_ResMeaB输出高电平，继电器K114、K115的3和4、7和8触点闭合。M_V+和M_I+与电阻的一端CommA相连，M_V-和M_I-与另一端CommB相连，构成四线制测量系统，导线的长度对电阻的测量没有影响。AD7793内部电流I从M_I+流入经过档位电阻后从M_I-流出，再经过标准电阻R177流入AD7793。M_V+ 和M_V-为档位电阻两端电压。AD7793为低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声24位Σ-Δ型ADC，集成了片内低噪声仪表放大器，利用AD7793的模拟通道A1IN1+、A1IN1-测量当前档位电阻两端的电压。标准电阻R177上的电压作为AD7793模数转换的参考电压REFIN+。故电阻的测量精度只与标准电阻R177有关，与电流无关。R177采用精度0.01%、温漂1 ppm的电阻，软件程序中用高精度万用电表测量的准确阻值作为其标准值。

图5 主控制器端口电路

表2 CPLD端口分配及功能

图6 档位控制电路

图7 系统内置四线制测量电路

测量模块的电源采用DC-DC隔离，四通道数字隔离器ADUM1401将总线与单片机系统隔离，以减小数字系统对其测量模块的干扰。

2．5模拟的温度(电阻)信号输出模块

电阻的实时测量完成后，以四线制送至输出端，如图8所示。CPLD控制Relay_OutA和Relay_OutB输出高电平，继电器K102、K103的3和4、7和8触点闭合，电压的两端V+、V-和电流的两端I+、I-分别与电阻两端CommA、CommB相连。采集器同样采用四线制测量该电阻并换算成温度，与系统显示值进行比对。

图8 电阻四线制输出回路

2．6校准补偿模块

3 系统软件设计

单片机与CPLD通过8位的数据总线和2位的读写控制总线通信。VHDL编写CPLD的实体，将其输出端口进行编址。控制TFT屏的端口TFT_RS，TFT_WR，RESET共用地址0011010。单片机分别在控制线WR_CPLD的上升沿和下降沿通过数据总线MCU_DATA0～ MCU_DATA7发送两个字节至CPLD，CPLD将上升沿时接收的字节作为地址，下降沿收到的字节作为数据赋值到该地址对应的端口。单片机主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

4 系统测试

经过校准后的系统输出的温度信号最大误差为±0.03 ℃，天气观测中自动气象站的测量误差为±0.2 ℃。可见，系统模拟输出的温度信号精度远高于采集器的测量精度，可作为自动气象站采集器温度通道的检定仪器。

表3 各档位自校准命令

表4 系统测试数据

5 结束语

计量检定仪器要求具有很高的精度，传统采集器温度通道检定仪简单地通过切换几个标准电阻模拟温度信号，忽略了切换时的接触电阻和电阻本身漂移。通过引入内部测量电路，将电阻的阻值和对应的温度实时显示，而不简单地认为阻值不变。测量方式采用四线制以保持和采集器一致，且四线制测量时导线的长度不影响测量结果。电阻网络通过四线制输出便于采集器接入。系统充分利用了430系列单片机的低功耗和CPLD端口多的特点。低压差线性电源、DC-DC隔离、ADC的总线光耦隔离等措施保证了测量精度。采用四层板，进一步降低了干扰。整机采用锂电池供电，便于野外现场对采集器进行检定。便携式、低功耗、高精度的特点，为自动气象站的检定工作提供了有力的仪器保障。

参考文献：

[1]李黄．自动气象站实用手册．北京：气象出版社，2007．

[2]唐慧强，卫克晶．基于MSC1210的高精度气象数据采集系统．仪表技术与传感器，2007(7)：56-58．

[3]刘军，王力，胡林宏，等．CQSSJ-1标准信号发生器在DYYZII型采集器校准中的应用．气象水文海洋仪器，2012(2)：81-83．

[4]行鸿彦，武向娟，吕文华，等．自动气象站数据采集器温度通道的环境温度补偿．仪器仪表学报，2012，33(8)：1868-1875．

[5]邹应全．一种自动气象站采集器温度测量通道检定装置：中国，CN201120208292 ．2012-01-04．

[6]余锋，高昆，周泓．新型四线制精密热电阻温度测量方法．仪表技术与传感器，1998(4)：30-34．

[7]冒晓莉，杨 博，杨静秋，等．基于 MSP430 单片机的节能型数字调频发射机．电子技术应用，2013，39(5)：138-140．

[8]刘建成，李乐乐，李浩，等．煤矿瓦斯气体自动取样装置的设计与实现．电子技术应用，2013，39(7)：77-79．

作者简介： 徐伟(1981-)，实验师，硕士，主要从事信号处理与气象仪器仪表研发。E-mail：kody2008@163．com