基于单片机的大气电场仪系统设计研究

李 力，谭济民，陈 城，刘 雯

(1.湖北省气象信息与技术保障中心，武汉 430074；2.神农架林区气象局，神农架 442400)

0 引言

随着综合气象观测网的不断完善，中国已经建立起地基、空基、天基观测系统，同时，数据处理、观测保障等技术的发展进步，全面支撑起协调、可持续发展的综合气象观测系统。新一代天气雷达、闪电定位探测、GNSS/MET大气水汽观测、电离层测高仪等综合气象观测系统通过对地面、高空以及空间范围内的大气圈和相关圈层的状态及其变化过程展开长期、连续、系统地观测，为提高气象预报预测准确率、增强公共气象服务能力等提供了坚实的基础支持[1-4]。

当大气电场发生改变时，其中的导体会产生一定量的感应电荷[5]。大气中电荷分离的时候，对应的地面电场也会随之改变，电场变化强度受大气电荷的聚集程度与分布情况影响。所以利用大气电场仪在地面附近探测出电场强度后，反算出对应高空区域的电场改变趋势将对可能发生的雷电袭击起到预警作用[6]。文章基于大气电场探测原理，使用MSP430单片机硬件平台、RT-Thread操作系统、C语言和IAR编译器等手段设计并实现了大气电场仪的硬件设计、数据通信、信号处理等部分[7-10]，并列举了系统常见的故障原因与诊断方法。

1 结构组成与特点

1.1 系统结构组成

大气电场仪主要由室外传感器、电源模块、防雷模块、GPS定位校时模块、串口服务器等主要部件构成，如图1所示。

图1 大气电场仪组成结构

1.1.1 室外传感器

信号采样在传感器内完成，传感器核心部件密封于铝制屏蔽空间内，阻隔外界环境与电磁干扰影响。传感器采用单路12 V供电，电压转换、信号放大采集和数据处理均在传感器内完成，系统高度集成的特点保证了信号不受外界环境干扰。传感器具有电压转换滤波、信号处理放大、电机控制、相位判断、温度和电压监测等功能。数据采集盒主要负责实时采集传感器数据，及时上传数据并存储至SD卡，数据采集盒配置有SD卡、万年历时钟芯片等功能模块。数据采集盒中央处理芯片采用ARM Cortex-M3，其强大的处理能力可并行实现信号采集、数据处理分析和数据上传存储等工作，而且软件系统后期升级便捷，功能扩展性强。

1.1.2 电源模块

电源模块安装在交流电源箱内，能够实现宽电压输入和高精度输出。

1.1.3 防雷模块

电源防雷模块采用了可插拔式设计便于更换。当沿电源线传入大气电场仪的雷电电流超过避雷器保护水平时，电源防雷模块首先放电，并将雷电电流经过良导体安全引入大地，利用接地装置使雷电电压幅值限制在大气电场仪的雷电冲击标准以下，使设备得到安全防护。

1.1.4 GPS定位校时模块

GPS定位校时模块集成在电源箱内的通信控制板上，对大气电场仪进行定位和时钟芯片定时校准。

1.1.5 串口服务器

串口服务器放置于室内，采用市电供电，一端与大气电场仪的串口通信线连接以接收数据，另一端与室内网线连接将数据发送到指定IP地址。

1.2 系统功能特点

大气电场仪是集成度很高的雷电活动观测装备，它将户外传感器探测到的电场数据经过模数转换后利用串口通信实时发送至GPRS模块、室内的计算机或服务器等设备，在接收数据传送至客户端后，使用中心站软件读取[11]。单站软件安装在室内计算机上，可直接显示大气电厂仪的探测数据和设备状态[12]。其主要特点如下：

1)核心处理芯片采用低功耗、高性能的ARM芯片，完善了外围电路，设备功耗更低、扩展性更强；

2)传感器部分采用304不锈钢材质，保证较长时间不受环境腐蚀；

3)传感器与数据采集部分采用分体设计，便于维护管理，避免部分发生故障时更换整套设备；

4)上位机软件具有组网功能，可并行接收、处理闪电定位数据，提高了雷电预警准确性；

5)电厂仪配置了GPS模块，保证了数据时间的准确性；

6)通讯接口增加了防雷防浪涌保护器，使其免遭雷电冲击。

2 系统源码设计

采集器选用RT-Thread操作系统，软件设计采用多线程，每个线程分别在运行、就绪、挂起3种状态之间切换，内核基于时间片检测各个线程状态，根据就绪态线程的优先级确定执行优先级最高的线程，同时对其他就绪态线程进行排序，等待执行。通过互斥量、关闭中断等确保临界资源只被一个线程独占操作。通过事件、消息队列、邮箱等线程间通信机制保证各个线程的协调工作。

传感器软件基于MSP430单片机硬件平台，使用C语言编写，IAR编译器进行编译。软件主要功能为测量电场值、温度、电压，控制电机转速，识别输入的命令与参数。考虑到更新维护，将MSP430的ROM分为4个区，分别为Information、User Code、Bak及Boot区，空白部分为片内RAM。其中，Boot区用来存放开机引导升级程序，通过1K-Xmodem传输协议来完成升级。

3 典型故障诊断

大气电场仪的传感器、电源模块和防雷模块等核心部件集成度高，传感器与电源箱采用专用航空插头总线连接，只有通信线缆需要人工接线，存在由于接线顺序错误导致通信异常的隐患，可根据电源箱内串口接线端子的标识和指示灯判断通信线缆是否连接正确。指示灯的状态为：数据发送时，发送指示灯闪烁；数据接收时，接收指示灯闪烁；设备通电后，电源指示灯常亮。

4 结束语

随着综合气象观测业务全面发展，大气电场探测系统已成为必不可少的重要技术手段。大气电场仪测得的电场数据具有实时性，通过计算分析探测数据，利用预测模型对设备属地附近一定区域范围的大气电场运动和雷电灾害提前做出预警响应。文章通过介绍大气电场仪的工作原理，详细说明了系统的结构组成与功能特点，并深入讲解系统源码，列举了常见故障现象与处理方式，为大气电场观测提供了有力的技术支撑。