張一波，行鴻彥，徐　偉

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044）

模塊化多通道通用氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張一波1，2，行鴻彥1，2，徐偉1，2

（1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044）

針對(duì)傳統(tǒng)型氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在擴(kuò)展性和通用性較差的問(wèn)題，根據(jù)不同氣象傳感器輸出電信號(hào)的特征，提出模塊化結(jié)構(gòu)的多通道通用氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗單片機(jī)和CPLD架構(gòu)，通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)，數(shù)字端口，內(nèi)置增益可控信號(hào)放大電路和控制器，分別對(duì)氣象傳感器輸出的模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和處理；可根據(jù)需求配置多路采集通道，采集數(shù)據(jù)可通過(guò)串口傳送給上位機(jī)。利用高精度JJQ1氣象信號(hào)模擬器和61/2位萬(wàn)用電表搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、通道可配置、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，還可用于其他領(lǐng)域的多通道信號(hào)采集。

數(shù)據(jù)采集；模塊化；多通道；氣象傳感器

0　引言

隨著氣象產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對(duì)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本、準(zhǔn)確度、功耗等標(biāo)準(zhǔn)要求也越來(lái)越高；社會(huì)需求的增加，促使我國(guó)氣象觀測(cè)技術(shù)快速發(fā)展［1］。國(guó)外氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如DT80、DT85以及CR1000系列等具有良好的靈活性、自主性、兼容性。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)型氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)雖然已經(jīng)應(yīng)用于自動(dòng)氣象站，但跟國(guó)外相比，依然存在著差距；比如系統(tǒng)拓展能力有限，采集接口無(wú)法通用，氣象要素采集單一等。

利用MSP430F149和EPM570T100C5N設(shè)計(jì)一種高準(zhǔn)確度、多通道、兼容性強(qiáng)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將硬件電路各功能模塊化；采集接口采用通用性設(shè)計(jì)，可以適合各種模擬信號(hào)輸入。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)分別用EPM570T100C5N與MSP430F149采集；為降低系統(tǒng)功耗，將MSP430F149作為主控制器。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)處理氣象傳感器輸出的電信號(hào)來(lái)完成溫度、濕度、氣壓、雨量、輻射、蒸發(fā)、風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量［2］。常用氣象傳感器輸出信號(hào)類(lèi)型、電信號(hào)和氣象量之間的函數(shù)關(guān)系如表1所示。其中氣壓傳感器PTB220輸出信號(hào)既可以是電壓形式，也可以是RS232或者RS485形式。

表1　氣象傳感器輸出信號(hào)特征

圖1　氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

對(duì)于模擬信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路、模擬開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換電路處理，由MSP430F149單片機(jī)完成采集；數(shù)字信號(hào)經(jīng)EPM570T100C5N采集后將數(shù)據(jù)發(fā)送至MSP430F149，由MSP430F149進(jìn)一步處理。氣壓傳感器輸出的RS232信號(hào)可以直接由MSP430F149采集。系統(tǒng)將處理后的氣象數(shù)據(jù)通過(guò)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示，或通過(guò)串口將氣象數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)［3］，由上位機(jī)進(jìn)行顯示、存盤(pán)等［4］。工作方案如圖1所示。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括模擬信號(hào)采集電路、數(shù)字信號(hào)采集電路、顯示模塊、通信接口電路。

2.1模擬信號(hào)采集電路

2.1.1模擬信號(hào)采集接口

每個(gè)模擬信號(hào)采集接口端有4個(gè)接線(xiàn)通道，分別為E、H、L、C。各通道功能為：

1）E通道提供觸發(fā)源。

2）H通道和L通道是信號(hào)輸入通道，可以采用差分輸入，從而提高準(zhǔn)確度。

3）C通道是接地通道。

采集接口適合電壓、電流、電阻信號(hào)的輸入。

2.1.2溫度測(cè)量電路

溫度傳感器一般采用PT100，根據(jù)PT100阻值與溫度變化成正比的關(guān)系，確定溫度［5］，測(cè)溫電路如圖2所示。測(cè)溫時(shí)，AD7793的IOUT1引腳輸出電流設(shè)置為1 mA，IOUT1與通用接口的E通道相連，為PT100提供電流源［6］。電流通過(guò)R1與一個(gè)低溫漂、高精度參考電阻R2。AD7793的測(cè)量通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）分別測(cè)量R1與R2兩端的電壓V1、V2；由于R1與R2兩端電壓已知，通過(guò)R1與R2的電流相同，根據(jù)式（1）：

可知PT100電阻值為

圖2　 溫度測(cè)量電路

2.1.3蒸發(fā)、濕度、輻射、氣壓的測(cè)量

蒸發(fā)傳感器輸出電流量，要進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換才可以完成測(cè)量；濕度、輻射、氣壓傳感器輸出電壓量。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要根據(jù)各傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，以及ADC參考電壓范圍，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路。

信號(hào)調(diào)理電路由集成單電源儀表放大器AD627［7］和軌道精密運(yùn)算放大器TLV2461組成。

AD627采用單電源供電，根據(jù)傳感器輸出電壓范圍不同，只需改變AD627的1腳和8腳之間電阻R即可調(diào)節(jié)其增益［6］。可用下式表示：

式中：Vout——經(jīng)過(guò)放大后的模擬信號(hào)電壓；

Rtype——定值電阻。

軌道精密運(yùn)算放大器TLV2461作為跟隨器，可以盡量減小系統(tǒng)能耗，其輸入失調(diào)電壓也為微伏級(jí)。

圖3是輻射傳感器的信號(hào)測(cè)量與調(diào)理電路。其他模擬信號(hào)的測(cè)量與調(diào)理電路與圖3相同。

圖3　輻射傳感器信號(hào)調(diào)理與測(cè)量電路

2.1.4A/D轉(zhuǎn)換模塊

氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換采用24位高準(zhǔn)確度AD芯片AD7793［8］。

AD7793的通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）用于測(cè)量溫度，通道2（AIN2+，AIN2-）用于測(cè)量其他模擬信號(hào)。各模擬信號(hào)由CD4051模擬開(kāi)關(guān)控制分時(shí)A/D轉(zhuǎn)換［9］。

2.2數(shù)字電路設(shè)計(jì)及氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量的測(cè)量

自動(dòng)氣象站采用的氣壓傳感器主要是VAISALA公司的PTB220［10］，測(cè)量范圍為50～110kPa，除了具有模擬電壓輸出接口外，還具有RS232或者RS485數(shù)據(jù)輸出接口［11］。通過(guò)RS232或者RS485接口電路就可以與PTB220通信，獲取氣壓數(shù)據(jù)。

風(fēng)速大小與風(fēng)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)頻率成正比例，EPM570T100C5N對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至MSP430F149，由MSP430F149計(jì)算風(fēng)速。

風(fēng)向傳感器輸出7位格雷碼，經(jīng)過(guò)緩沖保護(hù)電路，送入EPM570T100C5N進(jìn)行處理。

雨量傳感器一般為翻斗式，翻斗翻轉(zhuǎn)1次，輸出1個(gè)脈沖信號(hào)。EPM570T100C5N在1 min內(nèi)對(duì)雨量傳感器信號(hào)計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值與雨量換算公式確定雨量。

風(fēng)速、風(fēng)向、雨量的測(cè)量電路相同，均是先通過(guò)保護(hù)電路、74HC244緩沖器后由EPM570T100C5N進(jìn)行處理。

2.3顯示模塊

顯示模塊采用TFTLCD顯示屏。LCD_CS為T(mén)FTLCD的片選端，用于控制TFTLCD是否工作，LCD_WR與LCD_RD為T(mén)FTLCD的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)控制引腳。LCD_DB［1］～LCD_DB［16］為T(mén)FTLCD的16位雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)［12］，用于數(shù)據(jù)的傳輸顯示。

2.4通信接口電路

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，選用RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RS232采用MAX3232集成電路驅(qū)動(dòng)［13］。MSP430F149自帶2個(gè)串行接口模塊（USART），UART0 與PTB220進(jìn)行通信，采集氣壓數(shù)據(jù)；UART1與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)時(shí)序流程圖

由于采集的信號(hào)分為模擬量和數(shù)字量，所以采集流程圖分為模擬、數(shù)字兩類(lèi)。

3.2模擬信號(hào)采集流程圖

蒸發(fā)傳感器輸出的是電流量，溫度傳感器輸出的是電阻量；分別經(jīng)過(guò)I-V和R-V轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)采集流程如圖4所示。

3.3數(shù)字信號(hào)采集流程圖

氣壓傳感器除產(chǎn)生模擬信號(hào)外，還可以產(chǎn)生RS232信號(hào)，可直接用MSP430F149處理。數(shù)字量采集流程如圖5所示。

圖4　模擬量采集流程圖

圖5　數(shù)字量采集流程圖

表2　系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

4　系統(tǒng)測(cè)試

為了便于分析數(shù)據(jù)，采用JJQ1氣象信號(hào)模擬器進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。JJQ1氣象信號(hào)模擬器能夠根據(jù)實(shí)際需求模擬多種傳感器的輸出信號(hào)。通過(guò)設(shè)置JJQ1氣象信號(hào)模擬器信號(hào)輸出要素和特征值，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。將設(shè)定值和系統(tǒng)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)系統(tǒng)的性能，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，傳感器輸出的數(shù)字量信號(hào)（風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓（RS232））測(cè)量誤差為0；但是模擬量信號(hào)設(shè)定值和測(cè)量值存在誤差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其主要原因是輸出信號(hào)受環(huán)境中電磁場(chǎng)影響產(chǎn)生噪聲。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于MSP430F149與EPM570T100C5N處理器硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了模塊化多通道通用氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在保證準(zhǔn)確度前提下，解決了自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性差、采集要素單一的問(wèn)題。系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集氣象傳感器信號(hào)，具有良好的通用性與穩(wěn)定性。

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（編輯：徐柳）

The design of modular multi-channel general meteorological data acquisition system

ZHANG Yibo1，2，XING Hongyan1，2，XU Wei1，2
（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Technology and Engineering Center of Meteorological Sensing Network，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China）

In order to improve the poor expansibility and versatility in the traditional meteorological data acquisition system，a modular multi-channel general meteorological data acquisition system based on the characteristics of different meteorological sensors was designed.The system which used the ultralow-power MCU and CPLD could collect and process the analog and digital signals ofmeteorologicalsensorsthroughmultiplexer，digitalport，built-ingain-controlledsignal amplification circuit and controller.Furthermore，according to the actual requirements，the system could configure the multi-channel of data acquisition as well as send the data to the host computer via a serial port.In addition，the JJQ1 signal simulator and 61/2-bit multimeter were used to test the system.The results show that the system has the advantages of high measure precision，configurable channels and good expansibility.Meanwhile，it can be also applied to other areas of multi-channel signal acquisition.

data acquisition；modularization；multi-channel；meteorological sensor

A

1674-5124（2016）08-0068-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.014

2015-09-28；

2015-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61671248）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金計(jì)劃項(xiàng)目（BY2013007-02）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（15KJA460008）

張一波（1992-），男，江蘇東?？h人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)樾盘?hào)處理與氣象儀器。