实验题目：气象参数发生器的设计

1. 课程简要信息

课程名称：《气象仪器》、《创新实践》

课程学时：32

适用专业：电子信息工程、电子科学与技术、通信工程、信息工程

学生年级：大三学年

2. 实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

在我校电子类专业开设的《气象仪器》课程基础上，分析国内自动气象站传感器输出电信号的类型、范围、分辨率等特征。开发能模拟多种类型电信号的装置。该装置能显示气象量和对应的电信号，可程控输出。实验项目依托开放实验室和气象仪器实验室。装置产生的多种电信号可接入到实验室的自动站数据采集器中进行比对。为自动气象站的故障判断提供信号源。

基本部分：

（1）能同时模拟国内自动站的温湿度传感器HMP45D、风速风向传感器ZQZ-TF、蒸发传感器AG1-1等对应的电阻、直流电压、脉冲、七位格雷码、电流等电信号。

（2）电信号和气象量之间的函数关系、电信号的范围与自动气象站完全一致。技术指标如表1。

表1 气象传感器模拟装置技术指标

（3）采用 TFT 或 LCD显示当前输出的气象量和对应的电信号数值；输出气象量的大小可用按键步进设置；

发挥部分：

（1）模拟的气象量的大小可通过上位机串口调试助手自定义设置；（2）为提高模拟电阻信号的精度，电阻的输出采用四线制，并进行实时测量显示；（3）采用零满度校准方法，提高温度和蒸发信号的模拟精度，使最大允许误差分别达到 $\pm 3 \mathrm { m V }$ 和 $\pm 5 0 \mathrm { u A }$ 。

（4） 其它抗干扰的措施；

3. 实验过程及要求（限300字）

（1）通过学习《气象仪器》课程和查阅《自动气象站实用手册》，掌握自动气象站
的测量原理和传感器输出电信号类型、范围、特性曲线等；（2）熟悉实验室自动气象站采集器的温度、湿度、风速、风向、蒸发等测量通道；（3）掌握四线制电阻的产生和测量原理。设计电流激励源和高精度的测量电路。
思考通过二次函数或查 PT100 分度表将电阻值换算温度值的编程方案；（4）设计模拟量（电压和电流）的产生及调理电路。选择合适的 DAC 器件，根据
分辨率和输出信号的大小确定合理的调理电路；（5）结合 CPLD 高精度分频和 IO 口资源丰富的优势，设计数字量（脉冲信号和格
雷码）的产生方法。制订单片机和 CPLD 的通信协议，编写两者的接口程序；（6）构思按键步进和上位机自定义设置的实现方法，考虑单片机外部中断服务程
序、串口中断服务程序的功能；（7）学习零满度线性校准方法，编写校准程序，实现对输出模拟信号的软件补偿；（8）了解提高信号精度的措施：选用低温漂器件、总线隔离、电源隔离等；（9）设计PCB并进行系统调试；（10）利用六位半数字万用表和自动气象站数据采集器对装置产生的信号进行测
量，记录误差，并观测温度漂移。（11）撰写设计总结报告，并通过PPT 答辩，熟悉不同的信号产生方案。

4. 相关知识及背景（限150字）

这是一个运用单片机和 CPLD 设计能模拟多种气象传感器输出电参量的装置，可应用于气象行业自动站的故障判断。需要运用传感器原理、数模信号转换、信号调理、电流变送、四线制电阻测量、单片机和 CPLD 通信、串口通信、数据显示等专业知识。同时涉及零满度校准、抗干扰措施、低温漂器件的选型等仪器的设计概念与工程技巧。

5. 教学目标与目的（限100字）

通过查阅相关资料，熟悉一款智能仪器——自动气象站的测量原理和硬件结构。在此基础上，开发一个具有应用意义和完整工程项目背景的装置——气象信号发生器。使学生掌握传感器的原理、典型电信号的产生电路、单片机和 CPLD 各自的优势，提高专业技能。同时让学生熟悉器件选型、补偿校准等提高仪器精度的措施，培养仪器开发的工程能力。

6. 教学设计与引导

本实验项目的设计具有明确的行业应用背景、完整的工程实践过程。需要分析实验室已有自动站和传感器的特点，结合相关课程，通过分析计算、方案论证、系统设计、措施保障、测量校准等环节设计装置，最后进行对接应用、设计总结。在实验教学环节，应在以下几个方面进行引导：

（1）学习气象传感器的原理，了解自动气象站数据采集器的测量方法。掌握不同气象量和电信号的函数关系；（2）为提高模拟温度信号（电阻）的精度，需采用四线制输出方案。掌握四线制测量原理。思考激励电流源的电路方案，提出四线制电阻的高精度测量电路。引导学生通过查阅 TI、ADI 等公司网站，运用新器件设计电路。（3）引导学生根据湿度信号（电压）的技术指标，分析计算DAC器件的参考电压、确定调理电路的参数。学会驱动串行总线的高精度DAC器件。（4）让学生掌握电流变送器的原理。利用该原理，选择新型集成电路，设计蒸发信号（电流）产生电路；（5）引导学生综合运用单片机和 CPLD 的能力，掌握两者通信技巧，充分利用CPLD处理时序电路和 IO端口丰富的优势。（6）要求学生利用高精度万用表对自己设计的信号产生装置进行误差分析，观测温漂， 思考提高精度的措施，并进行改善。（7）除了采用必要的硬件抗干扰措施外，提出软件补偿的思路，让学生编写程序实现。观测校准后精度改善情况。（8）实验完成后，组织学生进行答辩，汇报自己的电路方案和设计亮点，拓宽设计思路。

实验前，要注意学生理论计算和器件选型的重要性。实验过程中，要注意将工程应用的经典电路同新型器件的运用相结合。调试过程中，要注意测量方法的规范性和数据的真实性。总结报告中，要注意不同电路方案的比较和思考。

7. 实验原理及方案

（1）系统参考结构（2）实现方案

图 1 系统总体参考方案

$\textcircled{1}$ 选用 MSP430F169 单片机作为主控制器，通过 CPLD 扩展 IO 口。在 IAR 中编写单片机向CPLD 写数据的程序，同时在 CPLD 中编写接口实体。利用单片机的 8 位 IO 口与CPLD并行通信。

$\textcircled{2}$ 信息显示模块采用 TFT屏，其16位的数据总线和控制总线利用 CPLD驱动。用于显示气象量和对应的电信号数值。

$\textcircled{3}$ 模拟风速传感器的脉冲信号利用 CPLD 的分频电路实现，产生占空比为 $5 0 %$ 的脉冲。设定脉冲频率后，单片机计算分频系数，并将系数写入到 CPLD中，CPLD 根据分频系数和晶振频率产生对应频率的脉冲信号。风向的七位格雷码利用CPLD的七个IO口产生。风速和风向都为数字信号，输出端采用74HC244缓冲器实现电平的匹配。

$\textcircled{4}$ 四线制电阻产生及测量方案如图 2 所示。通过 CPLD 控制继电器的通断形成四线制网络。避免了导线本身的线阻引入的误差。

图 2 四线制电阻产生及测量

$\textcircled{5}$ 电压信号的产生选用 16 位的低功耗、单通道电压输出型 DAC 芯片 AD5660，满量程输出电压范围可达 $2 . 5 \mathrm { ~ V ~ }$ 。软件编程模拟SPI总线与主控制器通信。AD5660内部的硬件结构如图 3，主要由数字量输入寄存器、电阻串型 DAC、基准源、输出缓冲放大电路组成。

图3 DAC模块结构

由图 3 可知，AD5660 内部含有一个增益为2 的放大器。设D 为载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值，则输出电压VOUT的大小为：

$$ V _ { O U T } = 2 \times V _ { R E F O U T } \times \left( \frac { D } { 2 ^ { N } } \right) $$

16 位的 AD5660-1 内置 1.25V 的基准电压，输入数字量 D 的范围为 $0 ^ { \sim } 6 5 5 3 5$ 。故输出电压VOUT的范围为： $0 ^ { \sim } 2 . 5 V$ 。

湿度传感器输出信号为 $0 ^ { \sim } 1 \mathrm { v }$ ，DAC输出信号需要经过调理电路，产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。设计其信号调理电路，如图4所示。

图4 信号调理电路

8. 教学实施进程

教师以授课、实验观测等多种教学方式，系统地介绍电子系统分析、规划、设计和工程实现的方法与步骤，介绍新器件、新技术、新方法。学生从《创新实践》设计的多个实验项目中，选择适合自己的实验项目。本实践项目要求学生通过查阅相关资料并对实验室仪器进行测试，给出系统设计的参考电路，通过与教师沟通方案、确定最终的设计电路，在开放实验室和专业实验室进行设计、调试。最终通过作品的调试校准、答辩和报告，给出最终成绩。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

（1）技术指标的需要分析；
（2）电路方案的论证；
（3）信号范围、分辨率、误差的理论推导计算；
（4）电路设计与参数选择；
（5）电路测试方法；
（6）实验数据记录；
（7）数据校准功能测试；
（8）实验结果总结；

10.考核要求与方法（限300字）

（1）作品验收：气象信号的完整性与指标的完成程度；
（2）实验质量：电路方案的合理性，电路PCB设计情况；
（3）自主创新：设计亮点和功能扩展，提高精度的措施；
（4）实验成本与创新：是否充分利用实验室已有条件，是否运用新型器件；
（5）实验数据：测试数据和测量误差及校准方法；
（6）实验报告：实验报告的规范性与完整性；

11. 项目特色或创新（可空缺，限 150字）

项目的特色在于：项目通过熟悉实验室已有的仪器和传感器，设计相关仪器。结合了多门课程，具有明确的行业应用背景，满足了特色专业建设的需求， 同时将零满度校准、抗干扰措施等仪器设计技巧融入到实验项目中，培养了学生的工程设计能力。

实验案例信息表