【正文】 的概念 確定航空器在空間的垂直位置需要二個要素：測量基準(zhǔn)面和自該基準(zhǔn)面至航空器的垂直距離。我國民航飛行高度的測量通常以以下三種氣壓面作為基準(zhǔn)面： 1) 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（QNE）是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下海平面的氣壓。其值為101325 帕 （ 英寸汞柱）。 2) 修正海平面氣壓（QNH）是指將觀測到的場面氣壓，按照標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件修正到平均海平面的氣壓。 3) 場面氣壓（QFE）是指航空器著陸區(qū)域最高點(diǎn)的氣壓。 航空器在飛行中，根據(jù)對應(yīng)的不同測量基準(zhǔn)面，在同一垂直位置上會有不同的特定名稱，高度的概念如下所示。 1） 高（Height） ：是指自某一個特定基準(zhǔn)面量至一個平面、一個點(diǎn)或者可以視 為一個點(diǎn)的物體的垂直距離。 2） 高度(Altitude)：是指自平均海平面量至一個平面、一個點(diǎn)或者可以視為一個點(diǎn)的物體的垂直距離。 3） 飛行高度層（Flight Level）：，各等壓面之間具有規(guī)定的氣壓差。 4） 標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度：是指以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其值為 百帕（或 760 毫米汞柱或 英寸汞柱）修正高度表壓力值，上升至某一點(diǎn)的垂直距離。 5）真實(shí)高度：是指飛行器相對于直下方地面的距離。6）修正海平面氣壓高度（修正海壓高度或海壓高度或海高） ：是指以海平面氣壓調(diào)整高度表數(shù)值為零，上升至某一點(diǎn)的垂直距離。 7）絕對高度：是指飛行器相對于某一實(shí)際海平面并用重力勢高度表示的高度。 8）相對高度：是指飛行器從空中到某一既定地面的垂直距離。 9）場壓高度（場高） ：是指以著陸區(qū)域最高點(diǎn)氣壓，調(diào)整高度表數(shù)值為零，上升至某一點(diǎn)的垂直距離，是相對高度的一種。 以上每一種飛行高度都有各自不同而重要的用途，相對高度是飛機(jī)起飛、 近進(jìn)著陸時飛行員最為關(guān)心的參數(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度則是所有航線飛行飛機(jī)的共同基準(zhǔn)。此外根據(jù)最近制定的《中國民用機(jī)場高度表撥正程序和過渡高度層改革方案》 ，使用氣壓式高度表表示高時，必須使用場面氣壓作為高度表撥正值；表示高度時，必須使用修正海平面氣壓作為高度表撥正值；表示飛行高度層時，必須使用標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為高度表撥正值。因此在設(shè)計(jì)氣壓高度表時，需要根據(jù)不同的基準(zhǔn)面，采用不同的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能，根據(jù)不同的應(yīng)用場合給出相應(yīng)的飛行高度參數(shù)，并且輔以高度預(yù)警，在到過渡高度或設(shè)置高度以下時報(bào)警。 靜壓的概念和測量 一、靜壓的概念 大氣壓力有兩種：靜壓和全壓。靜壓為流體流過物體時垂直于流體流動表面的流體壓力，對飛機(jī)來說就是飛機(jī)飛行面上的大氣壓力。全壓是靜壓和沖壓的總和，沖壓是飛機(jī)向前飛行時的速度產(chǎn)生的。雖然靜壓每天都在變化，但是在任何時候或地點(diǎn)靜壓隨著高度的減小一般都是連續(xù)的。因而靜壓測量可以作為壓力高度的指示量。二、靜壓的測量原理 本文設(shè)計(jì)的氣壓高度表測量的大氣壓強(qiáng)實(shí)際上是靜壓。靜壓是飛機(jī)周圍自由流動空氣的絕對壓,可用靜壓作為大氣壓力代入壓高公式計(jì)算。 靜壓的測量原理如圖21所示。 （a）剛發(fā)生流動 （b）流動穩(wěn)定后 圖21 靜壓測量原理 在沿著空氣流動的壁開一個孔來進(jìn)行，在剛發(fā)生流動時圖21（a）發(fā)生繞棱角的流動，漸漸地形成不連續(xù)面圖21（b），孔中的空氣靜止，產(chǎn)生和不連外側(cè)氣流相同的壓力，通過孔底的壓力導(dǎo)入變換器來測定靜壓。 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力高度公式 國際標(biāo)準(zhǔn)大氣 大氣壓強(qiáng)與高度的變化關(guān)系受很多因素的影響，如大氣溫度，緯度，季節(jié)等都會導(dǎo)致變化關(guān)系發(fā)生變化。因此國際上統(tǒng)一采用了一種假想大氣“國際標(biāo)準(zhǔn)大氣” ，國際標(biāo)準(zhǔn)大氣滿足理想氣體方式，并以平均海平面作為零高度，國際標(biāo)準(zhǔn)大氣的主要常數(shù)有： 平均海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 平均海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度 平均海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣密度 空氣專用氣體常數(shù) 自由落體加速度 大氣溫度垂直剃度β如表（21）所示，高度越高溫度越低，不同高度層對應(yīng)不同的溫度剃度。 每一層溫度均取為標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度的線性函數(shù)，即 21式中和分別是相應(yīng)層的標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度和大氣溫度的下限值， β為溫度的垂直變化率（β＝dT/dH ）。 表21 大氣溫度、溫度剃度與高度的分層標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度H，公里溫度T，開溫度剃度β，開/公里++ 大氣壓力PH與標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度H 函數(shù)一、壓高公式 假設(shè)空氣為理想氣體，并相對與地球?yàn)殪o止大氣，即空氣沒有水平和垂直方向的運(yùn)動時，那么理論上大氣壓力與標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度有如下關(guān)系： 1） 當(dāng)大氣溫度對標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度變化時（β＝dT/dH≠0） 22 232） 當(dāng)大氣溫度對標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度不變化時（β＝dT/dH ＝0） 24 25 式（22）～（25）中帶有 b 下標(biāo)的各參數(shù)均指相關(guān)高度層的下限值。由上述四式可以看出大氣壓力隨標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度的增加按指數(shù)規(guī)律變化。在標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度的基礎(chǔ)上，加上不同基準(zhǔn)面之間的高度差，就可以得到滿足不同需要的飛行高度 但在實(shí)際應(yīng)用中對于 20000m以上的大高度及進(jìn)近著陸時的小高度， 由于原理上的原因，氣壓高度表的測量精度達(dá)不到要求，因此一般這兩種應(yīng)用場合不用氣壓高度表測高。在 0～20000m 之間有兩個高度層，即對流層和同溫層。對流層的下界海拔高度為0m，同溫層的下界海拔高度為 11000m。如果將式（23）和（25）中的 b P 、 b T 、 b H 、 n g 、R和β 用標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下各相應(yīng)層中的數(shù)值代替，可得對流層和同溫層的標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度近似式， 當(dāng)0≤H≤11000m時 26 當(dāng)11000≤H≤20000m時 27二、高度誤差修正 標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度公式是在假設(shè)空氣為理想標(biāo)準(zhǔn)大氣下推出的，如果高度表所在地點(diǎn)的實(shí)際大氣狀況不符合標(biāo)準(zhǔn)大氣時，高度表所測的高度值就不能正確反應(yīng)所在地點(diǎn)的絕對高度，相對高度或真實(shí)高度，存在原理性誤差。原理性誤差主要由海平面大氣壓力變化、氣溫變化、溫度剃度變化造成，在變化不大的情況下，它們產(chǎn)生的原理性誤差可由標(biāo)準(zhǔn)壓高公式的增量方程求得。增量方程可表示為式（28） 。 28 式中：（儀表值減真實(shí)值），（計(jì)算值減真實(shí)值）， （計(jì)算值減真實(shí)值），（計(jì)算值減真實(shí)值）。 下面僅在 0～11000 米高度范圍內(nèi)，給出誤差修正公式（ β = ） 修正由海平面大氣壓力改變引起的高度誤差，按公式（29）修正： 29 式中：，為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa），為真實(shí)海平面大氣壓，H為儀表指示高度。 修正由海平面大氣溫度改變引起的高度誤差，按公式（210）修正： 210 式中：，為海平面標(biāo)準(zhǔn)溫度（），為海平面實(shí)際溫度。但是有時海平面的實(shí)際溫度無法知道，由于，因此可以用式近似計(jì)算實(shí)際的絕對高度H‘ ： 211 式中：H 和分別為氣壓高度表的指示數(shù)和大氣環(huán)境溫度。這兩個值可以較為容易地獲到，從而方便地進(jìn)行誤差修正。 溫度剃度β 變化引起的誤差原則上可以分析，但實(shí)際上即使粗略地了解β的真實(shí)變化也是很困難，其定量計(jì)算幾乎是不可能的。 因此，通過分析得出，本設(shè)計(jì)中的氣壓高度表所要修正的原理性誤差為大氣壓力變化產(chǎn)生的高度誤差和大氣溫度變化產(chǎn)生的高度誤差之和，而忽略由于β變化引起的高度誤差。 3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) 本款氣壓高度表是面向無人飛機(jī)或其他航天設(shè)備設(shè)計(jì)的，由于高空的溫度較低，機(jī)械振動、沖擊加大，工作環(huán)境十分惡劣，因此在選擇器件時還需要考慮到工作環(huán)境的影響，根據(jù)使用現(xiàn)場的條件選擇可靠性高的器件。對系統(tǒng)的抗干擾性，穩(wěn)定性等指標(biāo)有較高要求，另外，低功耗也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要指標(biāo)。 單片機(jī)的選擇 通過以上的應(yīng)用分析，我們最終選擇了抗干擾能力，功耗情況，芯片速度和芯片外設(shè)等方面均符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的STM32單片機(jī)。 STM32結(jié)構(gòu)概述 STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了高性能的外圍設(shè)備。 CortexM3是ARM公司最新推出的基于ARMv7體系架構(gòu)的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，專門為嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)。ARMv7 架構(gòu)采用了Thumb2技術(shù)，它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案完整的代碼兼容性\[3\]。 Thumb2技術(shù)比純ARM代碼少使用31%的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷，同時能夠提供比Thumb技術(shù)高出38%的性能。 在中斷處理方面，CortexM3集成了嵌套向量中斷控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。NVIC是CortexM3處理器的一個緊耦合部分，可以配置1~240個帶有256個優(yōu)先級、8級搶占優(yōu)先權(quán)的物理中斷，為處理器提供出色的異常處理能力。同時，搶占（Preemption）、尾鏈（Tailchaining）、遲到技術(shù)（Latearriving）的使用，大大縮短了異常事件的響應(yīng)時間。CortexM3異常處理過程中由硬件自動保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，進(jìn)一步縮短了中斷響應(yīng)時間，降低了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。CortexM3體系架構(gòu)提出了新的單線調(diào)試技術(shù)，CortexM3處理器的跟蹤調(diào)試是通過調(diào)試訪問端口(Debug Access Port，DAP)來實(shí)現(xiàn)的。DAP端口可以作為串行線調(diào)試端口（SWDP）或串行JTAG調(diào)試端口（SWJDP，允許JTAG或SW協(xié)議）使用。其中SWDP只需要時鐘和數(shù)據(jù)2個引腳，實(shí)現(xiàn)低成本跟蹤調(diào)試，避免使用多引腳進(jìn)行JTAG調(diào)試，并全面支持RealView編譯器和 RealView調(diào)試產(chǎn)品。此外CortexM3還具備高度集成化的特點(diǎn)，大大減小了芯片面積，內(nèi)部集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，合理利用了芯片空間，使系統(tǒng)滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。 STM32系列是基于CortexM3核的微控制器，它在CortexM3內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了高性能的外圍設(shè)備。 本系統(tǒng)采用的STM32F103RBT6芯片具有72MHz的最高主頻，零等待的內(nèi)存讀取，單周期的乘除法計(jì)算，128KB的存儲器空間，20KB的RAM空間，具有停止模式、睡眠模式和待機(jī)模式可提供高性能的低功耗模式，兩個12位精度AD轉(zhuǎn)換器，7通道DMA控制器，支持外設(shè)