余德文，李錦云，李 斐

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

基于STM32的高精度車載氣壓高度表設(shè)計(jì)*

余德文，李錦云，李 斐

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對(duì)車載氣壓高度表對(duì)跨地域、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的高精度以及系統(tǒng)小型化、界面友好化等要求，設(shè)計(jì)了基于STM32硬件平臺(tái)的車載氣壓高度表系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用高精度硅壓阻式壓力傳感器，皮托管及相關(guān)管路組成氣路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大氣壓靜壓的采集，并通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS—II和圖形用戶界面μC/GUI實(shí)現(xiàn)基于多任務(wù)的界面顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)實(shí)時(shí)校正后的車載氣壓高度表在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)測(cè)量精度優(yōu)于1.2 m，具有較高的測(cè)量精度，能很好地滿足氣壓高度表車載應(yīng)用的高精度高度定位要求。

實(shí)時(shí)校正；車載；氣壓高度表；氣路系統(tǒng)

0 引 言

氣壓高度表是測(cè)量載體當(dāng)前高度的一種重要儀表，已被廣泛應(yīng)用于航空測(cè)試系統(tǒng)等相關(guān)領(lǐng)域[1]。國(guó)內(nèi)外氣壓測(cè)高技術(shù)已取得大量科研成果，氣壓測(cè)高精度也已得到有效提高，但目前氣壓高度測(cè)量多應(yīng)用于飛行器的垂直高度測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等問(wèn)題。而車載氣壓高度表具有跨地域、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、空間有限等特點(diǎn)[2,3]，因此，對(duì)氣壓高度表長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行精度和系統(tǒng)小型化等特性提出了更高的要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本系統(tǒng)中車載氣壓高度表系統(tǒng)采用STM32微控制器和高精度硅壓阻式壓力傳感器組成系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)提供的氣壓和溫度數(shù)據(jù)對(duì)車載氣壓高度表進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以減小氣壓高度表隨區(qū)域和時(shí)間變化而引起的變化，將氣壓高度表從機(jī)載應(yīng)用領(lǐng)域拓展到車載及其它陸地應(yīng)用場(chǎng)合，為建立基于氣壓測(cè)高原理的陸用高精度高度定位系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 氣壓高度表原理

1.1 氣壓測(cè)高原理

氣壓高度表是基于大氣壓隨高度的增加而不斷減小的原理，通過(guò)測(cè)量環(huán)境大氣在重力作用下的靜壓，并根據(jù)靜力學(xué)方程來(lái)測(cè)量高度的一種間接儀表。在符合《國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2533—標(biāo)準(zhǔn)大氣》規(guī)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，有如下壓高公式[4]

(1)

式中p0為標(biāo)準(zhǔn)海平面氣壓，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下p0=101.325 kPa；T0為標(biāo)準(zhǔn)海平面溫度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下T0=288.15 K；H0為標(biāo)準(zhǔn)海平面高度，絕對(duì)高度測(cè)量中H0=0；β為大氣溫度垂直梯度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，在氣壓高度表車載應(yīng)用領(lǐng)域中β=-6.5 ℃/km。

1.2 原理誤差與補(bǔ)償

當(dāng)某已知海拔高度為Ha的點(diǎn)a的氣壓、溫度分別為pa，Ta，利用式(1)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度為H0時(shí)，通過(guò)下式對(duì)原理誤差進(jìn)行補(bǔ)償[6]

=ΔHp0+ΔHT0+ΔHβ.

(2)

在忽略實(shí)際溫度垂直梯度與標(biāo)準(zhǔn)溫度梯度引起的誤差下有

(3)

(4)

(5)

(6)

1.3 車載氣壓高度表實(shí)時(shí)校正

大氣壓受外界環(huán)境、海拔高度以及緯度等因素影響，同一地區(qū)，一晝夜內(nèi)，在9～10時(shí)和21～22時(shí)有2個(gè)峰值，在3～4時(shí)和15～16時(shí)有2個(gè)谷值，24 h內(nèi)氣壓變化可達(dá)3～5 hPa，相應(yīng)高度變化大約為27～45 m[2]。故車載氣壓高度表在長(zhǎng)時(shí)間或跨地域運(yùn)行時(shí)必須進(jìn)行多次校正以獲得較高測(cè)量精度。

為了減小車載氣壓高度表隨環(huán)境條件變化的影響，保證其在跨地域、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的精度，可通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)提供的氣壓與溫度數(shù)據(jù)，對(duì)車載氣壓高度表進(jìn)行實(shí)時(shí)校正實(shí)現(xiàn)[7]，主要步驟如下：

1)獲得當(dāng)前區(qū)域內(nèi)基準(zhǔn)站的海拔高度及其發(fā)布的氣壓和溫度數(shù)據(jù)。

3)修正式(1)的壓高公式為

(7)

4)利用車載氣壓高度表測(cè)量的大氣靜壓和式(7)計(jì)算高度表載體的當(dāng)前絕對(duì)高度。

2 高精度車載氣壓高度表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

高精度車載氣壓高度表系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用硅壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器采集大氣靜壓和溫度信號(hào)，經(jīng)整形與濾波后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器由STM32控制器處理。STM32控制器通過(guò)串口或觸摸屏手動(dòng)輸入獲得修正海平面氣壓和溫度等相關(guān)校正信息。高度測(cè)量結(jié)果通過(guò)LCD現(xiàn)場(chǎng)顯示或通過(guò)串口通信輸入上位機(jī)。

圖1 高精度車載氣壓高度表系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of high precision vehicle-oriented barometric altimeter system

2.2 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由流體力學(xué)可知，流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)壓，此時(shí)測(cè)量壓力(全壓)為動(dòng)壓和靜壓之和。而氣壓高度表是通過(guò)大氣靜壓原理實(shí)現(xiàn)高度測(cè)量的，因此，氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在車載氣壓高度表系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用[8]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車載氣壓高度表采用如圖2所示的氣路系統(tǒng)。圖中皮托管安裝在車頂，并使進(jìn)氣口與車前進(jìn)方向相一致，皮托管的全壓和靜壓出氣口通過(guò)尼龍管組成的管路送相應(yīng)的壓力傳感器。由于本車載氣壓高度表系統(tǒng)不需要通過(guò)測(cè)量動(dòng)壓來(lái)獲得車的運(yùn)動(dòng)速度，故實(shí)際中只對(duì)圖2中的靜壓進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量。

圖2 車載氣壓高度表氣路系統(tǒng)Fig 2 Gas path system of vehicle-oriented barometric altimeter

2.3 車載氣壓高度表界面設(shè)計(jì)

μC/GUI是由美國(guó)Micrium公司開(kāi)發(fā)的一種通用嵌入式圖形用戶界面軟件，它可以為任何圖形LCD提供不依賴于處理器和LCD控制器的具有類似Windows界面風(fēng)格的圖形用戶接口。由于其100 %采用ANSI C編寫(xiě)，使得μC/GUI適用于所有的CPU。

本車載氣壓高度表系統(tǒng)中采用320像素×240像素的256色彩色TFTLCD，并通過(guò)在STM32硬件平臺(tái)上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和μC/GUI實(shí)現(xiàn)基于多任務(wù)的系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)[9,10]，最后制作并移植中文字庫(kù)以實(shí)現(xiàn)漢字顯示功能[11]。

利用μC/GUI設(shè)計(jì)了車載氣壓高度表主界面和儀表模式界面。在主界面模式下用戶可手動(dòng)輸入?yún)⒖键c(diǎn)的氣壓、溫度以及高度等相關(guān)信息以實(shí)現(xiàn)氣壓高度表的校正。在儀表模式下，通過(guò)GUI界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)儀表盤(pán)的模擬，以使界面更為直觀與友好。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

圖3(a),(b)為2012年7月至8月某時(shí)間段內(nèi)，對(duì)同一地點(diǎn)固定高度處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集獲得的氣壓和溫度。圖3(c),(d)為在以氣象臺(tái)發(fā)布的氣壓和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的實(shí)驗(yàn)條件下，利用式(5)和式(6)計(jì)算得到的修正海平面氣壓和溫度。實(shí)驗(yàn)中，由于無(wú)法準(zhǔn)確獲知車載氣壓高度表系統(tǒng)平臺(tái)和氣象臺(tái)的準(zhǔn)確高度，實(shí)驗(yàn)采用氣象臺(tái)提供的數(shù)據(jù)信息計(jì)算得到的修正海平面氣壓，進(jìn)行實(shí)時(shí)校正后，求相鄰2次測(cè)量高度差，以判斷本系統(tǒng)中的車載氣壓高度表系統(tǒng)精度。圖3(e)即為高度差曲線。分析圖3(e)可知，利用氣象臺(tái)提供的氣壓和溫度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行氣壓高度表實(shí)時(shí)校正后，相鄰2次測(cè)量高度差保持在約±10 m以內(nèi)，且不隨時(shí)間變化伴隨的氣壓變化而發(fā)生大的波動(dòng)。該誤差主要由于氣象臺(tái)提供的氣壓值以1 hPa為分辨率(相應(yīng)高度分辨率約為9 m)，且1 h僅更新1次引起。故在忽略氣象臺(tái)數(shù)據(jù)精度影響下，經(jīng)實(shí)時(shí)校正后的車載氣壓高度表長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，高度測(cè)量精度能夠保持在1 m左右。

圖3 氣象臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量結(jié)果Fig 3 Experimental result under condition of meteorological data

為進(jìn)一步驗(yàn)證圖1所示的車載氣壓高度表系統(tǒng)精度，利用研制的車載氣壓高度表系統(tǒng)在氣壓不發(fā)生明顯變化的短時(shí)間內(nèi)，對(duì)某已知海拔高度的建筑物進(jìn)行單一基準(zhǔn)點(diǎn)樓層相對(duì)高度測(cè)量。在建筑物第一層采用氣壓高度表當(dāng)前測(cè)量氣壓和溫度值作為基準(zhǔn)點(diǎn)的氣壓和溫度，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。由圖4(c)可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車載氣壓高度表測(cè)高精度優(yōu)于1.2 m，具有較高的測(cè)量精度。

圖4 樓層高度測(cè)量Fig 4 Measurement of floor height

4 結(jié) 論

1)利用μC/GUI設(shè)計(jì)的車載氣壓高度表界面友好，尤其是儀表模式界面能夠很好地滿足用戶的車載儀表使用習(xí)慣。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車載氣壓高度表不僅在短時(shí)間內(nèi)有較高精度，在忽略用于校正的基準(zhǔn)點(diǎn)自身數(shù)據(jù)精度的影響下，經(jīng)實(shí)時(shí)校正后，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下，同樣能獲得較高測(cè)量精度，能夠很好地滿足車載氣壓高度表跨地域、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的工況要求，為建立基于氣壓測(cè)高原理的陸用高精度高度定位系統(tǒng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Design of high precision vehicle-oriented barometric altimeter based on STM32*

YU De-wen, LI Jin-yun, LI Fei

(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at requirements of high precision during cross region and long time running,system miniaturization,and user interface friendly,a vehicle-oriented barometric altimeter system based on STM32 hardware platform is designed.In this system,high precision silicon piezoresistive pressure sensors,pitot tube and related pipeline is used to make up of gas path system for air static pressure sampling, and through embedded real time operating system(RTOS)μC/OS-II and graphical user interface(GUI)μC/GUI,realize displaying of user interface based on multitask.Experimental results show that after being real time calibrated,vehicle-oriented barometric altimeter for long time running has high measurement precision prior to 1.2 m which well meets the height positioning precision requirement for barometric altimeter used by vehicles.

real time calibration; vehicle-oriented; barometric altimeter；gas path system

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0058—03

2014—03—06

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110142120002)

TH 73；TP 274.2

A

1000—9787(2014)10—0058—03

余德文(1986- )，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)。