摘要：基于改進型皮托-靜壓管測風(fēng)模型分析了所需測量的物理量，選用適當(dāng)傳感器，設(shè)計了以C8051F120為主控制器、包含各測量模塊的氣象無人機機載測風(fēng)系統(tǒng)。對系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和硬件電路作了詳細介紹，給出了相關(guān)軟件流程。
1.1水平地速測量思路
全球定位系統(tǒng)（GPS）可以在全球范圍內(nèi)對接收機進行實時定位,根據(jù)兩個時間點上所得的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以計算出該時間內(nèi)物體相對于地理坐標(biāo)的運動速度。一般的GPS接收機所使用的C/A碼信號計算,定位的精度在20m以內(nèi)，根據(jù)實際接收的信號質(zhì)量和衛(wèi)星數(shù)目情況精度會有所不同。而無人機在空中飛行,使用有源天線接收，可以得到較高精度的定位信息，是地速測量的一種很好的選擇。因此本系統(tǒng)可使用GPS模塊，在接收的信息中直接讀出飛機的地速信息，實現(xiàn)地速測量目的。
1.2水平空速測量思路
空速主要通過對動壓、總壓、靜溫和加速度的測量來間接計算得到。
動壓測量有兩種思路：(1)使用壓力傳感器分別測出總壓和靜壓，然后兩個量相減得到動壓；(2)將兩個量同時輸入一個差壓傳感器，直接測出其差值。由于靜壓值也是需要測的量，因此兩種方法所用的傳感器數(shù)量一樣，理論上兩種方法都行。但在實際工程中，需使用量程較大的絕對壓力傳感器，而差壓傳感器的量程較小，使得傳感器的靈敏度有很大差異，如系統(tǒng)使用相同位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，則小量程的傳感器得到的分辨率將大大高于大量程的分辨率。因此在動壓測量的電路設(shè)計中，選擇使用差壓傳感器，可大大提高測量分辨率，減小空速測量誤差。
總壓的測量，在滿足量程的條件下盡量使用量程較小的絕對壓力傳感器，充分利用A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率。對于靜溫的測量，除了考慮分辨率、精度等因素之外，響應(yīng)時間也是一個重要考慮因素，因為無人機飛行速度相對較大，位置變化較快，而不同地方的溫度會有所不同，使得要求溫度響應(yīng)時間必須很短，才能測出對應(yīng)時刻相對較準(zhǔn)確的靜溫。
加速度的測量也有兩種思路：(1)使用加速度傳感器測量；(2)根據(jù)測得的速度經(jīng)微分運算得到。由于飛機在飛行過程中存在俯仰角，不能保證加速度傳感器測得的是水平面上的加速度。而不在水平面上的加速度就必然包含重力加速度在該方向上的分量，因此測得的數(shù)據(jù)不可信。故本系統(tǒng)選擇第二種方法，通過對地速微分求導(dǎo)，得到無人機加速度大小。
空速除大小的測量之外，方向也是需要測量的一個重要物理量?？账俜较蚣达w機航向，可以利用地磁場方向的固定性通過電子羅盤來測得。由于飛機機身不一定水平，使用常規(guī)的電子羅盤誤差很大，無法使用。解決的思路是使用三維磁阻傳感器測得三維空間內(nèi)三軸上各自的磁場大小，然后將其投影到水平面上，再通過計算得到飛機航向相對于磁北的夾角。而要完成所測得磁場的水平投影，需要知道飛機的姿態(tài)角度，因此還需要測得飛機的俯仰角和橫滾角。姿態(tài)角的測量是以重力場為參考，使用加速度傳感器測得飛機在三軸上的加速度，然后減去飛機本身加速運動而產(chǎn)生的加速度，得到飛機重力加速度在機體坐標(biāo)系三軸上的分量，從而計算出飛機姿態(tài)角。
2改進型測風(fēng)模型硬件電路設(shè)計
本文選用C8205F120單片機為主控芯片。該單片機具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51的指令集完全兼容，采用4級流水線的指令流程方式，提高了指令執(zhí)行效率，處理速度最高達100MIPS，是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)級MCU芯片，并且提供了豐富的接口，完全滿足對各傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、存儲等操作要求。此外系統(tǒng)還包括地速測量電路、空速測量電路和數(shù)據(jù)存儲傳輸電路三部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
將傳感器輸出電壓輸入C8051F120自帶的12bitA/D轉(zhuǎn)換單元即可轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?？芍苯邮褂脝纹瑱C內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，并通過軟件編程將內(nèi)部放大器增益(PGA)設(shè)置為0.5，將輸入電壓變換到電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)，從而完成動壓的采集轉(zhuǎn)換。
2.2.2航向測量單元
航向的測量使用三維磁阻傳感器測量地球磁場在載體坐標(biāo)系三個軸上的分量，結(jié)合三維加速度傳感器解算出的姿態(tài)角進行傾斜角補償，經(jīng)過坐標(biāo)變換，最終得到地理坐標(biāo)系上精確的航向角。這里選用一個二維磁阻傳感器HMC1022和一個一維磁阻傳感器HMC1021組成一個三維磁場檢測單元。HMC1022/1是Honeywell公司生產(chǎn)的利用磁阻效應(yīng)構(gòu)成的AMR各項異性磁阻傳感器，測量范圍±6Guass，靈敏度1mV/V/Guass，測量帶寬5MHz，分辨率85μGuass。輸出特性曲線如圖2所示。
圖中SW按鍵用于手動置位/復(fù)位傳感器，根據(jù)需要也可另外設(shè)計電路來通過單片機進行控制。ICL7660是電壓反轉(zhuǎn)器，用于將正電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負電壓，給儀表放大器AD620提供負電壓。AD620的5腳接的參考電壓由單片機的DAC模塊提供。
三維加速度傳感器選用ADXL345，它直接輸出數(shù)字信號，分辨率4mg/LSB，能夠分辨出僅為0.25°的傾角變化，一個集成的32級FIFO可儲存多達32個X、Y和Z數(shù)據(jù)樣本，從而減小對主處理器的影響，通過SPI（3線或4線）或者數(shù)字接口訪問。這里將其掛到總線上，根據(jù)其特有的總線從地址(0xEE)進行訪問。
2.2.3靜壓與靜溫測量單元
靜壓與靜溫可使用一個溫壓傳感器來測量，本系統(tǒng)選用Bosch公司的氣壓溫度傳感器B085，其壓力測量范圍為30~110kPa(相當(dāng)于海拔-500m~9000m)，絕對誤差典型值為±1hPa，分辨率0.01hPa，溫度測量范圍-40℃~+80℃，絕對誤差±1℃，使用I2C接口直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機連接。
2.3數(shù)據(jù)存儲和傳輸電路設(shè)計
完成數(shù)據(jù)采集后，需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算機上進行風(fēng)速解算。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移可采用存儲到SD卡或直接傳輸給地面接收器。SD卡具有SD模式和SPI模式兩種接口方式，考慮單片機自帶SPI接口方式，因此選擇SPI作為接口連接方式。無線發(fā)送模塊采用9XStream數(shù)傳模塊，其開闊地距離達11km/2.1dB偶極天線,射頻傳輸速率高達19200b/s，可采用UART接口與C8051F120的另一個串行端口UART1連接。
2.4系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)
綜合以上設(shè)計電路，根據(jù)各測量模塊的數(shù)據(jù)傳輸接口，將其連接至C8051F120數(shù)字外設(shè)的各個接口，得到系統(tǒng)的總體電路結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。
3軟件流程設(shè)計
本機載系統(tǒng)主要完成對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、傳輸?shù)热蝿?wù)，風(fēng)速解算由地面計算機根據(jù)風(fēng)速模型完成。C8051F120單片機的主函數(shù)軟件設(shè)計流程如圖5所示。
本文根據(jù)皮托—靜壓管改進型測風(fēng)模型所需測量的相關(guān)物理量，設(shè)計了基于C8051F120單片機為主控芯片，配合相關(guān)傳感器完成硬件電路設(shè)計，并對軟件流程作了規(guī)劃，可完成實時采集無人機飛行過程中的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和大氣相關(guān)物理量，將所得數(shù)據(jù)存入SD卡存儲器，或通過無線模塊直接發(fā)送給地面接收設(shè)備，最后由地面計算機完成對風(fēng)速的解算任務(wù)，實現(xiàn)測風(fēng)目的。
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