基于压电效应的FPGA降水粒子测量系统设计*

刘清惓， 朱俊丰， 杜 虹， 郭 薇， 韩上邦， 王勋涛

(1．江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044; 2．南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

0 引 言

伴随着社会经济的高速发展，天气现象的实时观测对工农业生产和军事活动起着越来越重要的作用。降水是指液态、固态或混合态水凝(冻)物从空中下落到地面这一过程，作为一类重要的天气现象，对其进行精确地观测亦具有重要意义。现阶段对于降水粒子的测量方法主要分为传统测量和现代测量两类[1]。

目前，气象观测中主要依靠传统的测量方法，即人工观测区分不同降水类型，利用翻斗雨量计、雨量筒等测量降水强度和降水量，这些方法对人的依赖程度高，自动化观测水平低，不适合对大量数据处理分析并寻找规律，且得到的降水观测资料的时间和空间分辨率均难以满足当前大气科学研究、精细化数值天气预报的需求。

在现代测量中以光学降水测量技术为主，主要原理是降水微粒的大小、形状、降落速度和密度会导致光信号的强度、频率发生变化，通过分析降水下落时调制光束的脉冲特征即可判别降水类型。此种方式能够实现降水现象的连续、非接触、自动观测，提供高时间分辨率的降水粒子微物理信息，目前比较成熟的有芬兰Vaisala公司的PWD系列[2]；美国ASOS的LEDWI系列；WIVIS的OSI,OWI系列等传感器。但此种测量方式成本高昂，校准频繁复杂，使用寿命短，且适用环境苛刻，易受灰尘、高温、高湿等因素的影响[3]。

针对现有测量方法存在的局限，本文将压电效应原理应用于降水粒子的感测，并设计了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心，多路并行数据采集的降水粒子观测系统。由于降水粒子的形态多样且直径范围大，因此，压电传感器件的响应信号幅值范围广[4]。在本系统的实验环境下，大粒子信号可达34 V，系统的前端信号处理电路须将其衰减至少10倍，才可以完整地将其采集。为实现对小粒子的测量，本系统还需具备对低至50 mV的微弱电压信号的采集和分析能力。对此，本系统采用的方法是将传感器的信号按峰值分成小于300 mV，300 mV～3 V，3～30 V，大于30 V4个区间，其模拟电压增益分别为10，1，1/10，1/100，这样既可以满足大幅信号的测量，又可以提高系统对小信号测量的分辨力。经调理后的信号分由四路高速ADC进行同步数据采集，将测得的数据分析换算后，还原粒子的特征参数，以实现降水粒子的测量。

1 降水粒子观测系统原理

1．1 压电传感器基本原理

如图1所示，沿x轴方向施加外力Fx时，在与电轴垂直的平面上将产生电荷Q=d·Fx，其中，d为压电常数。当需要压电元件输出电压时，可以把压电元件等效为一个电压源与一只电容器相串联的电压等效电路，在开路状态，其输出端电压为：Ua=Q/Ca，其中,Ca为两电极的极间电容[5]。当外电路接入负载RL，且不是无穷大时，电路以时间常数RL·Ca放电。

图1 压电器件与前置电路等效图

1．2 降水粒子信号观测基本原理

由上述可知，压电传感器接入前置放大电路后，该部分电路可等效为图1所示结构。其中,R和C分别表示前置放大器的等效输入电阻R=RaRi/(Ra+Ri)；等效输入电容C=Cc+Ci,Ra为测量电路的漏电阻，Ri为放大器输入电阻；Cc为测量电路联线分布电容(电缆电容)，Ci为放大器输入电容[6]。

假设降水粒子作用在压电传感器上的轴向力为

(1)

其压电系数为d，则压电效应为

(2)

等效电压源的端电压Ua(t)=Qa(t)/Ca,所以，前置放大电路输入电压为

(3)

(4)

经测试,式中等效输入阻抗R值为60 MΩ，压电器件极间等效电容Ca为40 nF，C为pF量级，远小于Ca，可忽略，则有测量回路时间常数τ=R(Ca+C)≈2.4。实际实验时ω值的量级大于1 000,即ωτ≫1，则有

(5)

(6)

此时的电压灵敏度为

(7)

由公式(6)的推导过程可知，压电传感器接入前端放大电路，电路输出信号的模Uom与作用力F具有一定的线性关系。这给本文采用压电传感器观测降水量粒子提供了理论支撑[7]。为得到降水粒子撞击压电传感器件的响应信号特征，实验采用示波器触发观测撞击瞬间波形，如图2所示。固态粒子的响应信号中载有传感器结构的高频机械谐振信号，而液态粒子则没有产生高频谐振信号。其主要原因是液态具有表面张力且具有阻尼特性，故未能激发高频谐振，因此,可以利用此特征来区分固液两态的信号[8]。

图2 不同降水粒子的响应信号波形

2 降水粒子观测系统设计

系统设计框图如图3所示。本系统主要包括：压电传感器、前置放大电路、多路并行A/D转换器、基于FPGA数据采集与处理模块以及基于MSP430微控制器的数据后处理模块。

图3 系统框图

2.1 模拟前端电路设计

系统采用直径50 mm的压电陶瓷片作为前端传感元件，选用INA163仪表放大器作为前端信号放大和跟随器件，选用反向击穿电压Vz为3.9 V的齐纳二极管IN5228，用于A/D转换器输入口过压保护。A/D转换器件选用TI公司的16位并行高速A/D转换器ADS8471，ADS8471在满足1 MSPS采样率的同时，还具有良好的噪声抑制、优异的误差控制以及数据高效便捷的并行传输能力等优势。

2.2 FPGA数字电路设计

本系统采用Altera公司Cyclone II系列FPGA中EP2C8Q208C8N作为系统的主要控制与数据采集处理核心器件。系统的FPGA设计包含A/D驱动模块、数据预处理模块、数据缓冲模块和MCU通信控制模块。

A/D驱动模块包括：1)ADS8471驱动模块，用于直接驱动ADS8471实现一次A/D转换操作；2)转换速率控制模块，用于控制A/D转换速率，以实现不同采样速率的快速控制；3)数据输出控制模块，将数据以稳定时序规则对外(其他模块)输出。

数据预处理模块包括：1)数据缓存模块，用于缓存一定数量的实时数据，供判别模块调用；2)有效信号起止点判别模块，判断出一次完整降水粒子信号的起始点与结束点；3)信号峰值、积分值与时间跨度计算模块，计算出此次粒子信号的峰值、积分值与时间跨度3个特征值，以作数据后处理；4)数据输出控制模块，将3个特征数据打包并对外输出。

数据缓冲模块：采用异步FIFO将预处理得来的数据进行缓冲，待MCU通信控制模块读取和传输。

MCU通信控制模块[9]：检测到FIFO不为空时，将数据从FIFO中读出，并为数据加上起始位和校验位，再向单片机发送通信中断请求，待响应后将数据传至单片机。FPGA与单片机通信采用8位数据线加1位握手信号线共9线的并行数据传输模式，实现2个平台间的数据传输。

2.3 MCU数字电路设计

本系统采用MSP430单片机作为后处理器，主要功能是：根据FPGA初步计算得来的粒子的3个特征值，计算得出该粒子的物理特征参数(如直径)，后通过RS—232串口上传至PC。

3 系统测试

3.1 系统线性度测试

系统对于各个峰值段的信号的线性度测试结果如图4所示。图4(a)，(b)，(c)分别为增益10，1，1/10测试结果线性分析图。

图4 增益10，1，1/10的线性度测试图

由数据的线性拟合函数可以得出系统的动态响应具有良好的线性，且增益为1时最佳，不同增益情况下系统伴有不同程度的整体偏移。因此，在设计数据后处理程序时，应将系统线性拟合函数加入程序，以更好地还原出激励信号。

3.2 量化粒子测试

将系统线性拟合函数加入数据后处理程序后，进行此阶段测试。本测试采用不同尺寸粒子激励系统，获得对于不同尺寸粒子系统的响应特征函数。实验中分别采用直径为2,3,4,5,6,7,8,9.3,10 mm粒子，在相同实验环境下撞击系统，得到图5所示的数据点分布图。

图5 实验数据分布和拟合函数图

如图5所示，根据实验数据分布拟合出对于不同尺寸粒子激励的系统响应函数

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

3.089 3x+ 2.133 5.

其均方误差R2=0.996 9，再将此函数应用于系统后处理程序中，直接计算出粒子尺寸。

3.3 系统全量程测试

在前2次实验完成且将数据后处理程序优化的基础上，对系统进行全量程测试实验，结果如表1所示。

表1 实验结果

4 结 论

本文提出了一种基于压电传感器件的新型感测方法，并设计了一种基于FPGA的降水粒子信号采集处理系统。在系统粒子算法设计中，将各增益的系统响应拟合函数和各粒子的响应拟合函数，应用于系统的粒子尺寸还原算法，

有效降低了电路系统引起的线性误差。实验结果表明：本系统对于粒子直径观测误差小于±0.1 mm，具有精度高、响应快、粒子判别准确等特点，在降水粒子观测领域具有潜在的应用前景。

参考文献:

[1] 孙学金,王晓蕾,李 浩,等.大气探测学[M].北京：北京气象出版社,2009.

[2] Vaisala.现时天气现象传感器[EB/OL].[2013—06—18].http:∥cn.vaisala.com/cn/products/presentweathersensors/Pages/default.aspx.

[3] 高太长,刘西川,刘 磊,等.自动气象站及气象传感器发展现状和前景分析[J].仪器仪表学报,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,杨志刚,等.压电式能量获取装置的研究现状[J].传感器与微系统,2006,25(10):7-10.

[6] 贾菲·B.压电陶瓷[M].林声和,译.北京:科学出版社,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] 冯春阳,张遂南,王 玮,等.基于FPGA 的三线制同步串行通信控制器设计[J].电子技术应用，2009,35(9):54-56.