謝騰騰，黃少偉，張亞南，王芳輝

（1.中國(guó)石油大學(xué) 信息控制工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061；2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院 山東 東營(yíng) 257026）

國(guó)產(chǎn)海濱觀測(cè)站所采用的數(shù)據(jù)采集器大多與相應(yīng)的海濱觀測(cè)站配套使用，當(dāng)需要擴(kuò)充海濱觀測(cè)站觀測(cè)功能，增加新的觀測(cè)要素傳感器時(shí)，不能直接進(jìn)行升級(jí)，必須更換，從而造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)[1]。根據(jù)這一情況，改進(jìn)和完善數(shù)據(jù)采集器，對(duì)于提高海濱觀測(cè)站的擴(kuò)展性和通用性具有重要意義，同時(shí)這也是國(guó)際上海濱觀測(cè)站在擴(kuò)展觀測(cè)要素、提高系統(tǒng)開放性方面的趨勢(shì)之一。

在硬件上實(shí)現(xiàn)通用，只需要修改配置文件，就可以實(shí)現(xiàn)氣象和水文采集器的互換使用。這樣可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)工作，提高觀測(cè)效率。同時(shí)論文基于一種低功耗單片機(jī)的海洋數(shù)據(jù)采集器，采用RS232接口實(shí)時(shí)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，配有大容量存儲(chǔ)器，支持無線數(shù)據(jù)傳輸及日歷時(shí)鐘，可以長(zhǎng)期獨(dú)立工作在無人值守的野外觀測(cè)記錄。論文還在開發(fā)時(shí)候考慮到海洋環(huán)境和產(chǎn)品開發(fā)成本，做到了防腐蝕、低功耗、低成本、太陽(yáng)能供電。

1 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要分別對(duì)氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集。根據(jù)對(duì)各種要素的觀測(cè)要求選擇合適的傳感器，目前市面上的主流傳感器接口輸出信號(hào)有4～20 mA電流模擬信號(hào)、電壓模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)、串口信號(hào)等。本設(shè)計(jì)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)種類和選用的傳感器接口類型，設(shè)計(jì)了3類信號(hào)接收端：脈沖信號(hào)，RS232串口信號(hào)，模擬信號(hào)。傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路傳輸至外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、添加時(shí)間標(biāo)簽等數(shù)據(jù)處理后，作為控制核心將數(shù)據(jù)存入FLASH存儲(chǔ)器，同時(shí)監(jiān)聽上位機(jī)指令，準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送GPS模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信并完成鍵盤設(shè)置和液晶顯示控制。采集器長(zhǎng)期工作在無人看守狀態(tài)下，因此設(shè)計(jì)了程序故障后自動(dòng)硬件復(fù)位模塊。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖Fig.1 Overall program of the system diagram

MCU模塊作為整個(gè)采集器的控制核心，主要完成信號(hào)的多路采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運(yùn)算、上位機(jī)指令監(jiān)聽、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示和鍵盤等控制功能。

信號(hào)輸入模塊主要功能是：將分別對(duì)氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后進(jìn)MCU。

串行通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的相互通信，上位機(jī)可以通過發(fā)送指令選擇下位機(jī)工作在氣象或水文模式。上位機(jī)還可以通過指令修改下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)間。

為了安裝和調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了液晶和鍵盤模塊。該模塊用來完成采集器工作模式的選擇；系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定；水文或氣象參數(shù)的最大值和最小值的設(shè)定。

其他外設(shè)包括：看門狗模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。硬件看門狗模塊能夠使程序故障后自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，因此使用擴(kuò)展外部FLASH存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)傳輸格式要求，用時(shí)間來標(biāo)記不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此采集器應(yīng)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。

采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)用12 V太陽(yáng)能電池供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體功能，系統(tǒng)硬件包括：輸入信號(hào)接口模塊、單片機(jī)核心控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗模塊、串行通信模塊和電源模塊。

2.1 輸入信號(hào)接口設(shè)計(jì)

采集器接收從風(fēng)速風(fēng)向傳感器和雨量傳感器傳來的兩路脈沖信號(hào)包括：0～1 kHz方波的風(fēng)速頻率信號(hào)和降雨脈沖信號(hào)。兩路輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理成可以進(jìn)入單片機(jī)的0～3.3 V電壓信號(hào)進(jìn)入MCU。采集器要接收從氣壓傳感器、濕溫傳感器和風(fēng)向傳感器輸入的四路模擬信號(hào)。本設(shè)計(jì)A/D模塊使用外接16位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1168。四路模擬信號(hào)進(jìn)入AD后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成0～3.3 V電壓信號(hào)進(jìn)入MCU。采集器將激光測(cè)距傳感器和溫鹽傳感器輸入的兩路RS232信號(hào)經(jīng)過MXA232電平轉(zhuǎn)化后，進(jìn)入外擴(kuò)串口芯片ST16C554D，然后進(jìn)入MCU。為防止高強(qiáng)度干擾損壞單片機(jī)，文中設(shè)計(jì)了光電隔離電路。輸入信號(hào)邏輯框圖如圖2所示。

2.2 單片機(jī)核心控制模塊

圖2 輸入信號(hào)邏輯框圖Fig.2 Logic diagram of the input signal

單片機(jī)核心控制模塊的設(shè)計(jì)主要包括C8051F020單片機(jī)的最小系統(tǒng)、鍵盤及液晶顯示電路的設(shè)計(jì)。C8051F系列單片機(jī)是Silicone Laboratories公司生產(chǎn)的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成[2]。C8051F120單片機(jī)具有100MIPS的處理峰值、128 kB的Flash存儲(chǔ)器、8448B的RAM、可外接存儲(chǔ)器、具有12位A/D且轉(zhuǎn)換峰值可達(dá)100ksps、64個(gè)I/O端口。因此選用C8051F120作為整個(gè)采集器的控制核心[3－4]。為了方便野外安裝、調(diào)試設(shè)備，設(shè)計(jì)了鍵盤和液晶顯示模塊。液晶顯示模塊選擇OCM12864－8，與單片機(jī)連接只需5根數(shù)據(jù)線，操作方便，內(nèi)置字庫(kù)，可以輕松顯示中文、圖畫、數(shù)字、英文等信息。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，每分鐘數(shù)據(jù)以一條記錄的形式存入文件。測(cè)量數(shù)據(jù)以ASCII字符存儲(chǔ)，各要素?cái)?shù)據(jù)按照讀取配置文件時(shí)得到的要素順序排列，并在記錄前面加上采集時(shí)間。選擇的存儲(chǔ)芯片AT45DB041，采用8腳的SOIC封裝。AT45DB041是ATMEL公司的新型FLASH芯片，該芯片具有容量大、讀寫速度快、外圍電路少等諸多優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是該芯片可最低工作在2.5 V，工作電流僅為4 mA，因此在移動(dòng)通信、便攜場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用[5－6]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口邏輯如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口邏輯Fig.3 Data storage interface logic

2.4 時(shí)鐘和看門狗設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸格式要求，用時(shí)間來標(biāo)記不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此采集器應(yīng)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用的是DS1305實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，該芯片以SPI總線形式與單片機(jī)相連。

采集器要長(zhǎng)時(shí)間工作在無人看守狀態(tài)下，因此設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)必須有程序故障后自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。外擴(kuò)專門看門狗芯片X5043，X5043是INTERSIL公司生產(chǎn)的都有上電復(fù)位、高電壓復(fù)位控制、可編程看門狗定時(shí)器、4Kbit3－WIRE接口非易失性EEPROM、僅有8個(gè)引腳的封裝。工作過程中，微處理器或外設(shè)失效，導(dǎo)致系統(tǒng)“鎖死”或者“跑飛”，看門狗定時(shí)周期到X5043激活RESET引腳，停止了微控制器的工作，過200 ms后再次啟動(dòng)單片機(jī)工作[7]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、看門狗模塊都是以SPI總線形式與單片機(jī)進(jìn)行通信，節(jié)省了單片機(jī)管腳資源。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)供電方式為太陽(yáng)能供電，太陽(yáng)能供電電池成本較高，每瓦15元左右。為降低設(shè)備后繼成本，電池的壽命問題決定用B1203LS轉(zhuǎn)3.3 V。B1203LS優(yōu)點(diǎn)是非線性變壓、轉(zhuǎn)化效率高達(dá)80%、功耗低。設(shè)計(jì)完整后經(jīng)過測(cè)量，系統(tǒng)工作供電壓12 V時(shí)電流為80 mA，功率為0.96W[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)軟件是采用由頂往下和模塊化設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以中斷方式為主，以查詢方式為輔。用中斷來接收采集數(shù)據(jù)[9]和上位機(jī)命令，用查詢方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)上電后先初始化各個(gè)模塊，然后啟動(dòng)硬件看門狗，接下來是等待定時(shí)器中斷產(chǎn)生采集數(shù)據(jù)和等待上位機(jī)命令，并且查詢一分鐘時(shí)間是否到。如果一分鐘時(shí)間到處理存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)。在程序中要進(jìn)行多次喂狗，防止非是故原因看系統(tǒng)復(fù)位。根據(jù)設(shè)計(jì)每個(gè)要求，把系統(tǒng)的硬件資源盡可能最優(yōu)的軟件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Software designing flow diagram

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

分別對(duì)模擬信號(hào)0 V、2.5 V和5 V數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)50次求算術(shù)平均值并保留3位小數(shù)，得測(cè)試表如表1。

表1 模擬量測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of analog

分別對(duì)頻率信號(hào)100 Hz、500 Hz和1 000 Hz數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)50次求算術(shù)平均值并保留3位小數(shù)，得測(cè)試表如表2所示。

表2 脈沖量測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test result of pulse

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，得出所有測(cè)量值誤差均不足0.1%，達(dá)到了各觀測(cè)要素的一級(jí)要求，完全符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)提出了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案，采用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、程序存儲(chǔ)技術(shù)、串口通信技術(shù)，完成了氣象參數(shù)的定時(shí)采集、分塊存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示和串口傳輸。經(jīng)測(cè)試證明軟硬件均切實(shí)可行，測(cè)試的數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)可投入實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)以后類似研究和系統(tǒng)改進(jìn)具有一定的參考作用。

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