基于LabVIEW的數(shù)字式氣壓計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)

白 婷13

(1.中國(guó)氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；2.河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，鄭州 450003; 3.河南省人工影響天氣中心，鄭州 450003)

0 引言

河南省目前已裝備了121套國(guó)家自動(dòng)氣象站與2 900多套區(qū)域自動(dòng)氣象站，且將繼續(xù)建設(shè)自動(dòng)氣象站，進(jìn)一步增加氣象環(huán)境的探測(cè)密度。氣壓是地面氣象觀測(cè)中的重要觀測(cè)要素，為保證氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須對(duì)自動(dòng)氣象站的數(shù)字氣壓計(jì)進(jìn)行周期性檢定[1]。河南省裝備的數(shù)字氣壓計(jì)主要為PTB210和PTB220，由于氣壓計(jì)數(shù)量多，省級(jí)氣象檢定所的工作任務(wù)十分繁重，人工檢定及校準(zhǔn)的方式已不能滿(mǎn)足氣象現(xiàn)代化工作的需要，迫切需要一套自動(dòng)氣壓計(jì)檢定系統(tǒng)，提高檢定效率和準(zhǔn)確性，減輕檢定人員的工作強(qiáng)度。

有關(guān)PTB220的檢定及修正方法研究已經(jīng)較為全面，PTB210的相關(guān)研究相對(duì)較少。胡帆、陳正一介紹了PTB220數(shù)字氣壓計(jì)的工作原理、設(shè)置以及操作命令和修正方法[2]；孫嫣等對(duì)PTB220的多點(diǎn)修正方法進(jìn)行了補(bǔ)充研究，提出檢定結(jié)果修正值與初始修正值疊加的方法，使調(diào)整后的氣壓計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)值更加接近零誤差[3]；孟憲羅等采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套基于串口通信的PTB220氣壓計(jì)誤差自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，利用3MS系統(tǒng)的檢定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PTB220氣壓計(jì)的自動(dòng)調(diào)整[4]；羅淇等對(duì)檢定過(guò)程中氣壓標(biāo)準(zhǔn)器附加誤差的產(chǎn)生原因、特征和規(guī)律進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)消除或訂正方法，有效降低了標(biāo)準(zhǔn)器附加誤差對(duì)檢定結(jié)果造成的影響[5-6]；黃玲等探討了氣象上靜態(tài)壓力傳感器非線(xiàn)性修正的常用方法，對(duì)最小二乘法和線(xiàn)性插值法的線(xiàn)性誤差進(jìn)行了比較，證明調(diào)整PTB210時(shí)采用線(xiàn)性插值法更加有效[7]。

本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了一套氣壓計(jì)自動(dòng)檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)，兼容PTB210和PTB220系列氣壓計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信息讀取、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入、證書(shū)生成等檢定過(guò)程的自動(dòng)化控制，系統(tǒng)在檢定結(jié)束后可自動(dòng)判斷氣壓計(jì)是否氣壓超差并快速實(shí)現(xiàn)氣壓計(jì)調(diào)整，在減少人為錯(cuò)誤的發(fā)生的同時(shí)，提高檢定工作的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、多串口擴(kuò)展卡、CPC6000型精密壓力控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣壓發(fā)生器)、745-16B型高精度實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)表(以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)表)、氣壓計(jì)(PTB220或PTB210，以下簡(jiǎn)稱(chēng)被檢表)、連接器、12 V開(kāi)關(guān)電源、氣路等組成，主要硬件設(shè)備性能如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)備情況

1.2 工作原理

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，計(jì)算機(jī)利用多串口擴(kuò)展卡與各儀器設(shè)備進(jìn)行串口通信，使用三通連接氣壓發(fā)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表，并使其壓力檢測(cè)口保持在同一水平面。

圖1 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用比較法進(jìn)行檢定，壓力檢定點(diǎn)為：500、600、700、800、900、950、1 000、1 100 hPa。檢定從500 hPa開(kāi)始，上位機(jī)程序控制氣壓發(fā)生器達(dá)到預(yù)定壓力值并穩(wěn)定3 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔10秒采集1次被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表的示值，每個(gè)壓力點(diǎn)上采集3次,將 3次示值的算術(shù)平均值作為該檢定點(diǎn)的記錄結(jié)果，按以上的檢定點(diǎn)順序逐點(diǎn)進(jìn)行兩次壓力循環(huán)后檢定結(jié)束。

1.3 被檢表連接器

PTB220氣壓計(jì)的通信接口形式和PTB210不同，如圖2所示。以往檢定或校準(zhǔn)PTB220、PTB210時(shí)需要分別使用專(zhuān)用線(xiàn)纜，為檢定工作造成一定不便。

圖2 PTB210與PTB220通信接口示意圖

為減少系統(tǒng)所用線(xiàn)纜數(shù)量，實(shí)現(xiàn)被檢表的快速更換，進(jìn)而減輕檢定人員工作強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用快速連接器，使其既能連接PTB220，也能連接PTB210，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 連接器電路原理圖

連接器實(shí)物如圖4所示，電源開(kāi)關(guān)按鈕可控制被檢表電源通斷，上部的DB9接口連接至計(jì)算機(jī)，下部的DB9接口連接PTB220氣壓計(jì)，中部的免螺絲接線(xiàn)端子連接PTB210氣壓計(jì)。

圖4 連接器實(shí)物圖

1.4 設(shè)備串口命令

上位機(jī)程序通過(guò)發(fā)送串口命令完成氣壓發(fā)生器控制點(diǎn)設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表示值讀取等操作。根據(jù)所用儀器設(shè)備的用戶(hù)手冊(cè)[8-11]，本系統(tǒng)所用到的串口命令如表2所示。

表2 系統(tǒng)常用串口命令

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW既具有傳統(tǒng)儀器的特征，又有一般儀器不具備的特殊功能，特別適合于經(jīng)常需要改變儀器和設(shè)備參數(shù)、功能的場(chǎng)合。本系統(tǒng)包含多個(gè)測(cè)量?jī)x器，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的人機(jī)交互界面要求較高，且需經(jīng)常對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改，因此非常適合采用LabVIEW編寫(xiě)檢定程序。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

軟件的編程方法一般可分為面向過(guò)程和面向?qū)ο蟆１鞠到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)檢定、校準(zhǔn)及生成報(bào)表等流程的自動(dòng)化控制，所用設(shè)備相對(duì)較少且功能較為專(zhuān)一，是典型的面向過(guò)程的軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，按功能不同，可將程序分為6個(gè)模塊。

圖5 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1)初始化模塊，實(shí)現(xiàn)程序各狀態(tài)變量的初始化。

2)參數(shù)配置模塊，主要實(shí)現(xiàn)軟件參數(shù)配置和檢定基本信息配置，軟件參數(shù)配置主要包括儀器設(shè)備串口配置、報(bào)表存儲(chǔ)路徑設(shè)置等；檢定基本信息配置主要包括氣壓檢定點(diǎn)、環(huán)境條件以及氣壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的基本設(shè)備信息等。

3)檢定模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力控制器、標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的控制，包括串口命令合成、檢定點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析以及壓力判穩(wěn)等。

4)校準(zhǔn)模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)PTB210和PTB220多點(diǎn)修正值的重新設(shè)置。

5)報(bào)表生成模塊，主要實(shí)現(xiàn)將檢定的結(jié)果和數(shù)據(jù)記錄寫(xiě)入word證書(shū)文件中，借助LabVIEW報(bào)表工具插件，利用書(shū)簽定位實(shí)現(xiàn)環(huán)境條件等檢定基本信息的插入，word中的檢定記錄表格則通過(guò)行列定位單元格，在雙重for循環(huán)中調(diào)用WordEditCell.vi將數(shù)據(jù)記錄寫(xiě)入。

2.2 主程序

程序主界面如圖6所示，左側(cè)從上至下依次顯示氣壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)表、被檢表的壓力曲線(xiàn)，右側(cè)為控制按鈕及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。為防止誤操作，系統(tǒng)啟動(dòng)后如未進(jìn)行參數(shù)配置，“開(kāi)始檢定”及“停止檢定按鈕”均為禁用狀態(tài)。

圖6 主程序界面

本系統(tǒng)上位機(jī)程序的過(guò)程可以簡(jiǎn)化為數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、保存，由于實(shí)際運(yùn)行中各過(guò)程的運(yùn)行速度并不同步，普通的順序循環(huán)結(jié)構(gòu)或是管道流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)都將導(dǎo)致程序的總體執(zhí)行效率受到各過(guò)程中最慢的那個(gè)的影響。因此，采用“生產(chǎn)者—消費(fèi)者模型”設(shè)計(jì)主程序，通過(guò)引入消息隊(duì)列作為緩存，調(diào)節(jié)各過(guò)程之間的運(yùn)行速度，將采集和處理等過(guò)程分開(kāi)處理，以增強(qiáng)不同速率循環(huán)間的數(shù)據(jù)交互和共享能力，提高程序的事件響應(yīng)速度及執(zhí)行效率[12-13]。

主程序框圖如圖7所示，程序主要由五個(gè)循環(huán)構(gòu)成，分別為事件處理循環(huán)、UI消息循環(huán)、采集循環(huán)、處理和記錄循環(huán)、顯示循環(huán)。

圖7 主程序框圖

事件處理循環(huán)捕捉前面板按鈕動(dòng)作事件，并將相應(yīng)消息寫(xiě)入Message Queue的UI隊(duì)列中，是消息的“生產(chǎn)者”；UI消息循環(huán)從Message Queue的UI隊(duì)列讀取消息，響應(yīng)前面板按鈕動(dòng)作事件，并發(fā)送相應(yīng)的消息到采集循環(huán)以及處理和記錄循環(huán)，是消息的“二傳手”；采集循環(huán)從Message Queue的采集隊(duì)列讀取消息，完成氣壓檢定點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集等具體操作，并將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)隊(duì)列和通知器；處理和記錄循環(huán)從數(shù)據(jù)隊(duì)列中獲取采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入等操作。

各循環(huán)之間通過(guò)消息隊(duì)列VI(操作者框架)保證分立性以及消息連續(xù)性。通過(guò)數(shù)據(jù)隊(duì)列和通知器，調(diào)節(jié)采集循環(huán)、處理和記錄循環(huán)的運(yùn)行速度，保證采集、處理、記錄過(guò)程中數(shù)據(jù)的同步性和完整性。

2.3 檢定程序

在采集循環(huán)中使用狀態(tài)機(jī)來(lái)控制檢定流程，如圖8所示。

圖8 檢定程序框圖

圖10 數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入程序

使用Message Queue的采集隊(duì)列進(jìn)行狀態(tài)傳遞，循環(huán)每次迭代時(shí)首先從隊(duì)列中取出下一狀態(tài)，然后執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的相應(yīng)分支，并在每一個(gè)狀態(tài)分支結(jié)束前將后一次或幾次迭代中需要執(zhí)行的狀態(tài)寫(xiě)入隊(duì)列，從而實(shí)現(xiàn)按用戶(hù)設(shè)置的檢定點(diǎn)執(zhí)行“壓力控制—數(shù)據(jù)讀取—壓力控制”的檢定流程，當(dāng)所有檢定點(diǎn)完成兩次升壓降壓循環(huán)后，檢定結(jié)束。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)操作

信息化和網(wǎng)絡(luò)化是氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的重要方向，為便于檢定信息的快速檢索和共享等，本系統(tǒng)將形成的檢定記錄信息存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)操作主要通過(guò)LabSQL工具包完成。首先在本機(jī)安裝MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和MySQL Connector/ODBC驅(qū)動(dòng)，并在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中添加和配置MySQL數(shù)據(jù)源，設(shè)置數(shù)據(jù)源名稱(chēng)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器TCP/IP地址、用戶(hù)名及密碼、要訪問(wèn)的Database等，如圖9所示。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“Test”按鈕，彈出提示框顯示“Connection Successful”即代表數(shù)據(jù)源連接成功。

圖9 配置數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入程序框圖如圖10所示，首先使用“ADO Connection Create.vi”新建連接，并通過(guò)“ADO Connection Open.vi”打開(kāi)數(shù)據(jù)源，調(diào)用“SQL Execute.vi”執(zhí)行雙重for循環(huán)拼接好的SQL語(yǔ)句即可完成數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入，最后關(guān)閉數(shù)據(jù)源并銷(xiāo)毀連接。

2.5 傳感器調(diào)整

2.5.1 PTB210

通過(guò)System Exec.vi調(diào)用VAISALA官方工具PTB210 Wizard來(lái)調(diào)整PTB210氣壓計(jì)，程序框圖如圖11所示。

圖11 LabVIEW調(diào)用外部可執(zhí)行文件

PTB210 Wizard程序界面如圖12所示，根據(jù)檢定結(jié)果，在MPC_1～ MPC_8輸入框中分別輸入各校準(zhǔn)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)修正值后，點(diǎn)擊“Write PTB210”即可完成氣壓計(jì)校準(zhǔn)。

圖12 PTB210 Wizard程序

2.5.2 PTB220

PTB220氣壓計(jì)在調(diào)整多點(diǎn)修正值前，首先打開(kāi)氣壓計(jì)外殼進(jìn)行硬件設(shè)置，將SW4開(kāi)關(guān)狀態(tài)撥至“ON”，使能存儲(chǔ)器寫(xiě)入功能。

PTB220校準(zhǔn)程序主體部分框圖如圖13所示，首先發(fā)送“MPC OFF”命令，停用多點(diǎn)修正。發(fā)送“MPC 1”命令，設(shè)置1號(hào)壓力傳感器的多點(diǎn)修正值。使用for循環(huán)依次輸入各校準(zhǔn)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)修正值后，發(fā)送“MPC ON”命令啟用多點(diǎn)修正，最后發(fā)送“RESET”重啟氣壓計(jì)，使設(shè)置生效。

圖13 PTB220校準(zhǔn)程序

3 檢定實(shí)驗(yàn)

選取一臺(tái)PTB220氣壓計(jì)(編號(hào)D2160055)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其存儲(chǔ)的初始修正值如表3所示。

表3 初始修正值 (hPa)

按照J(rèn)JG 1084-2013 《數(shù)字式氣壓計(jì)檢定規(guī)程》的步驟進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果如圖14所示。

圖14 檢定結(jié)果

由圖14可知，該氣壓計(jì)最大測(cè)量誤差為0.65 hPa，超過(guò)檢定規(guī)程中最大允許誤差0.3 hPa的要求，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。PTB210和PTB220氣壓計(jì)的校準(zhǔn)可通過(guò)重新設(shè)置多點(diǎn)修正值實(shí)現(xiàn)，其用戶(hù)手冊(cè)給出的各點(diǎn)修正值計(jì)算方法如式(1)所示。

corr=preference-pmeasured

(1)

式中，corr為修正值，preference為標(biāo)準(zhǔn)表的示值，pmeasured為被檢表示值。

修正值反映的是氣壓計(jì)在校準(zhǔn)點(diǎn)附近的偏差情況，以MPC_1為例，雖然表3中校準(zhǔn)點(diǎn)不是整數(shù)值，但根據(jù)氣壓傳感器的工作原理，其在500 hPa上的修正值應(yīng)與499.400 hPa基本一致。因此，可按照式(1)計(jì)算出各整數(shù)值氣壓點(diǎn)上修正值，即檢定結(jié)果的各點(diǎn)測(cè)量誤差取負(fù)值。將新的多點(diǎn)修正值寫(xiě)入氣壓計(jì)后再次進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果如圖15所示。

4 結(jié)果分析

從第一次修正后的檢定結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的傳感器最大測(cè)量誤差為-0.25 hPa，雖然符合檢定規(guī)程的要求，但理論上修正后的氣壓計(jì)測(cè)量誤差應(yīng)基本接近零值，不應(yīng)出現(xiàn)較大誤差。通過(guò)對(duì)比表3中氣壓計(jì)的初始修正值可以發(fā)現(xiàn)，圖15中各檢定點(diǎn)的測(cè)量誤差基本等于初始修正值的取負(fù)值，由此判斷氣壓計(jì)的初始修正值可能已固化在氣壓計(jì)的處理程序中，按照式(1)得出的修正值調(diào)整氣壓計(jì)將造成過(guò)校正。

圖15 第一次修正后的檢定結(jié)果

因此，為使修正后的氣壓計(jì)示值更加接近標(biāo)準(zhǔn)值，在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，新的修正值應(yīng)為氣壓計(jì)存儲(chǔ)的初始修正值減去對(duì)應(yīng)檢定點(diǎn)測(cè)量誤差值，如式(2)所示。

corrnew=corrinitial-Δp

(2)

式中，corrnew為某校準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)輸入的新修正值；corrinitial為氣壓計(jì)存儲(chǔ)的初始修正值；Δp為檢定結(jié)果中對(duì)應(yīng)檢定點(diǎn)的測(cè)量誤差值。

按照式(2)計(jì)算出各整數(shù)值氣壓點(diǎn)上修正值，如表4所示。

表4 新修正值 hPa

按表4重新設(shè)置PTB220氣壓計(jì)的多點(diǎn)修正值后，再次進(jìn)行檢定，結(jié)果如圖16所示。

圖16 調(diào)整后的檢定結(jié)果

由圖16的檢定結(jié)果可以看出，在按照式(2)計(jì)算的多點(diǎn)修正值調(diào)整氣壓計(jì)后，其測(cè)量誤差最大不超過(guò)0.06 hPa，不僅滿(mǎn)足檢定規(guī)程的要求，而且相對(duì)于按式(1)修正的檢定結(jié)果，測(cè)量誤差更加接近零值，證明在對(duì)PTB220氣壓計(jì)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)當(dāng)引入初始修正值。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前氣壓檢定校準(zhǔn)系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，檢定流程控制準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)處理結(jié)果和生成證書(shū)格式正確，存在超差問(wèn)題的氣壓計(jì)經(jīng)系統(tǒng)校準(zhǔn)之后測(cè)量誤差滿(mǎn)足要求，有效減輕了檢定人員工作強(qiáng)度，提高了檢定校準(zhǔn)效率，減少了人為錯(cuò)誤的發(fā)生。

系統(tǒng)使用中也暴露出一些問(wèn)題，如：程序采用面向過(guò)程思想編寫(xiě)，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展、維護(hù)和移植，在后期的改進(jìn)中需要進(jìn)一步完善，以增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性。