王建佳, 王 科, 楊志勇

(1.成都信息工程學院中國氣象局大氣探測重點實驗室,四川成都610225;2.中國華云技術開發(fā)公司,北京100081)

1 引言

數(shù)據(jù)采集器是自動氣象站的核心,采集器從傳感器采集數(shù)據(jù),然后由內部的微處理器按規(guī)定的算法進行運算處理和質量控制,生成各氣象要素觀測值,再從規(guī)定的數(shù)據(jù)格式將觀測值存儲在存儲器內,并按規(guī)定響應傳輸要求[1]。目前氣象業(yè)務上使用的數(shù)據(jù)采集器,存在著功耗高、體積大以及測量精度低等一系列問題。

針對以上問題,提出一種基于以太網(wǎng)的溫濕度智能傳感器系統(tǒng)設計方案。以智能化為中心,結合UCOS-II操作系統(tǒng),采用低功耗設計思想,以較低的成本、盡可能簡單的電路,滿足自動氣象站高精度和實時采集的需求。

2 高精度溫濕度智能傳感器的總體設計方案

2.1 功能需求分析

溫濕度智能傳感器測量的溫度范圍為-50℃-80℃、精度0.1℃,分辨率0.1℃;測量的濕度在0-100%,當濕度在0-90%時測量精度2%,當濕度在90%-100%時測量精度3%,分辨率1%。

2.2 系統(tǒng)設計方案

根據(jù)功能需求分析,基于以太網(wǎng)的智能傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖1所示,高精度智能傳感器系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

目前氣象業(yè)務上使用的數(shù)據(jù)采集器,通常是功耗很高,為適應太陽能電池供電,低功耗特性的數(shù)據(jù)采集器尤為重要[2],智能傳感器系統(tǒng)正是采用低功耗設計思想,在有效地降低系統(tǒng)功耗。降低系統(tǒng)主時鐘頻率表面上看是一種降低功耗的方法,但是當系統(tǒng)包含有模擬電路的時候,這種方法的效果并不明顯。實踐證明：延長系統(tǒng)工作在待機模式下的時間才是降低總功耗最有效的方法。因此,系統(tǒng)中所有的工作必須設計為以突發(fā)形式快速地完成,以便系統(tǒng)能夠盡快返回到待機模式[3]。

智能傳感器系統(tǒng)的主要特色在于低功耗,高精度測量以及通信方式多樣化。為了實現(xiàn)低功耗,設計的系統(tǒng)采用ARM CORTEX-M3架構的LPC1768超低功耗單片機作為主控芯片,具有32位RISC結構,運算能力強,并具有豐富的片內外設,內置了10/100M Ethernet MAC,集成了二路CAN通道,提供了一個完整的CAN協(xié)議實現(xiàn)方案,顯著地簡化編程和調試的復雜度,具有非常廣闊的應用范圍,非常適用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應用[4-5];為了實現(xiàn)高精度測量,采用具低功耗(典型功耗為400 μ A)、高精度、16位、串行傳輸?shù)腁/D轉換芯片AD7792作為A/D轉換芯片,有兩個高精度的可編程恒流激勵源,內置可編程儀表放大器、參考電壓源[6];為了實現(xiàn)通信方式多樣化,系統(tǒng)除了設計了RS232電路和RS485電路以外,還設計了以低功耗CMOS工藝、完全符合IEEE 802.3u標準的10Base-T/100Base-TX物理層收發(fā)器KSZ8041NL為核心的以太網(wǎng)PHY電路;為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行,設計了以MAX706為核心的看門狗電路;為了使系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時測量,設計了以PCF8563為核心的實時時鐘(RTC)電路;為了使系統(tǒng)在實時測量及掉電時能夠保存數(shù)據(jù),設計了以MX25L1602為核心的FLASH電路和以AT24C16為核心的E2PROM電路。

圖2 基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器的結構框圖

3 智能傳感器的采集電路與以太網(wǎng)PHY電路的硬件設計

3.1 高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路設計

眾所周知,數(shù)據(jù)采集電路對整個測量系統(tǒng)有非常重要的作用,在一定程度上,采集電路性能的好壞決定整個系統(tǒng)的測量精度。

(1)溫度測量

氣象業(yè)務上常用的測量氣溫的儀器主要有最高溫度表、最低溫度表、溫度計和鉑電阻溫度傳感器[7]。采用的溫度傳感器是芬蘭VAISALA公司生產的HMP45D溫濕度傳感器,其測溫器件的實質是PT100鉑電阻,是一種鉑電阻溫度傳感器,根據(jù)鉑電阻的電阻值隨溫度變化的原理來測定溫度[8],業(yè)務應用中通過查PT100分度表的阻值獲得溫度值。采用四線制的PT100從硬件上消除引線電阻的影響,得到更高的測量精度。高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路的原理圖如圖3所示。

若只使用一路激勵電流,引線電阻將產生誤差,由于有漏電流流經(jīng) RL2,RL3,將會在AIN1(+)引腳和AIN2(-)引腳之間產生電壓誤差。第2個激勵電流用于補償因漏電流產生的誤差。四線制鉑電阻與AD7792連接圖如圖4所示。

配置AD7792的內部2個電流源分別連接到引腳IOU1,IOU2,并均設置為1mA的輸出電流(假設IOU1與IOU2匹配),即圖3中的 I1,I4均為1mA,假設RL1,RL2,RL3,RL4分別為四線制PT100的4個引線電阻,并設長度與材料均相同。設AD測量通道AIN1(+),AIN1(-)實際輸入的電壓為 Uab,假設同一AD各個通道的輸入阻抗相同,即I2=I3,因此,據(jù)圖3有關系式：

將一個100Ω,0.1%精度,1ppm溫漂的標準電阻連接至REF IN(+)與REF IN(-)之間,利用2個激勵電流源流過該標準電阻產生的電壓差Uref,作為ADC的參考電壓,因此有：

由(1)式可知：方案設計的測量電路可以確保模擬電壓輸入范圍根據(jù)基準電壓呈比例變化,且比值與ADC激勵電流的值無關,這就可以排除因ADC激勵電流的偏差帶來的影響。基準電壓的變化可以補償任何因激勵電流的溫飄而導致的模擬輸入電壓誤差。

圖3 高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路

(2)濕度測量

氣象業(yè)務上常用的濕度傳感器是芬蘭VAISALA公司生產的HMP45D濕度傳感器[9],該傳感器輸出0-1V的電壓信號,因此使用 AD7792內部的1.17V參考電壓(既簡化了外圍電路,又避免了因增加外部參考電壓而帶來的噪聲影響),經(jīng)圖2中的濕度調理電路,輸入AD7792的第二測量通道。

3.2 以太網(wǎng)PHY電路設計

基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感系統(tǒng)通過一個集線器連接系統(tǒng)中的各個節(jié)點,各個節(jié)點通過RJ45接口電路與以太網(wǎng)連接。設計的溫濕度智能傳感器既能與目前氣象業(yè)務上的主采集器通過以太網(wǎng)組網(wǎng)通信,又能脫離主采集器單獨使用,與各智能傳感器自由組網(wǎng)通信,具有靈活、通用的特性。

LPC1700系列CORTEX-M3的以太網(wǎng)模塊使用RMII(簡化的媒體獨立接口)協(xié)議和片上MIIM(媒體獨立接口管理)串行總線、還有MDIO(管理數(shù)據(jù)輸入/輸出)來實現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY之間的連接[10],這使得KSZ8041NL成為與LPC1768配合實現(xiàn)以太網(wǎng)方案的最優(yōu)方案之一。以太網(wǎng)PHY電路原理圖如圖5所示。

圖4 四線制鉑電阻與AD7792連接圖

4 基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器軟件設計

基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器軟件系統(tǒng)其實質是在UCOS-II操作系統(tǒng)下進行的任務調度,其的主要任務是：

圖5 以太網(wǎng)PHY電路設計

(1)配合硬件電路,實現(xiàn)對溫度、濕度的實時采集、存儲和處理;

(2)配合硬件電路實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的自檢和狀態(tài)指示;

(3)通過以太網(wǎng)和RS485、RS232總線實現(xiàn)與自動氣象站主采集器的數(shù)據(jù)通信;

(4)通過以太網(wǎng)和RS232實現(xiàn)與上位機通信。

圖6 主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示。主程序主要由5個任務組成：RS232/RS485通信命令、以太網(wǎng)通信任務、采集任務、數(shù)據(jù)處理任務以及監(jiān)控/命令處理任務組成。RS232/RS485通信命令和以太網(wǎng)通信任務主要負責與上位機或是主采集器通信,包括規(guī)定時間上傳以及接收命令等。監(jiān)控/命令處理任務負責處理來自上位機或主采集器的命令以及監(jiān)控其它4個任務是否正常運行。采集任務主要是實現(xiàn)對氣象傳感器的實時采集,并將采集后的數(shù)據(jù)交付給數(shù)據(jù)處理任務進行處理。數(shù)據(jù)處理任務主要是對各種數(shù)據(jù)的整合、算法處理以及存儲等。

移植的TCP/IP協(xié)議棧是ZLG/IP,提供實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡上IP節(jié)點功能,是高性能的嵌入式ICP/IP協(xié)議棧軟件。使用UC/OS-II實時操作系統(tǒng)的信號機制實現(xiàn)一個多任務并行并可重入的協(xié)議棧,可以像UC/OS-II那樣支持多種CPU,此外,還具有層次清晰,易于升級和修改等特點。ZLG/IP結構框圖如圖7所示。

圖7 ZLG/IP結構框圖

5 實驗數(shù)據(jù)分析與結論

通過系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù),結合測量數(shù)據(jù)分析,得到的溫度誤差曲線如圖8所示。實驗數(shù)據(jù)表明,提出設計方案合理可行,在測量范圍-50℃-80℃,無任何軟件溫度補償?shù)那闆r下,絕對測量誤差全部在0.060C內,完全符合第二代氣象站功能規(guī)格書及地面氣象觀測規(guī)范中所要求的指標。智能傳感器系統(tǒng)軟、硬件設計完善,工作穩(wěn)定可靠,并且測量精度高,達到了預期設計目標,具有一定的實際應用價值。

圖8 溫度誤差曲線圖

[1]李黃.自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社,2005：8.

[2]馬旭東,王豐華.基于ARM的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀的設計與應用[J].水利水文自動化,2009,(4)：7-9,13.

[3]吳進.低功耗智能傳感器系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳感器,2009,(8)：97.

[4]周立功.深入淺出Cortex-M3——LPC1700(上冊)[M].廣州：廣州致遠電子有限公司,2009：74-75.

[5]Joseph Yiu[英].宋巖譯.ARM CORTEX-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社,2009,7.

[6]葉林,邢科新,李輝.一種多通道溫度采集系統(tǒng)的研制[J].現(xiàn)代電子技術,2006,29(9)：91-93.

[7]孫力,高玉莊.地面氣象測報業(yè)務工作手冊[M].北京：氣象出版社,2009：24.

[8]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社,2003：40.

[9]范書瑞,李琦,趙燕飛.Cortex-M3嵌入式處理器原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011：273.

[10]周立功.深入淺出Cortex-M3——LPC1700(下冊)[M].廣州：廣州致遠電子有限公司,2009：274-275.