張一波，行鴻彥，徐　偉

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學江蘇省氣象傳感網技術工程中心，江蘇 南京 210044）

模塊化多通道通用氣象數據采集系統(tǒng)設計

張一波1，2，行鴻彥1，2，徐偉1，2

（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學江蘇省氣象傳感網技術工程中心，江蘇 南京 210044）

針對傳統(tǒng)型氣象數據采集系統(tǒng)存在擴展性和通用性較差的問題，根據不同氣象傳感器輸出電信號的特征，提出模塊化結構的多通道通用氣象數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用低功耗單片機和CPLD架構，通過多路模擬開關，數字端口，內置增益可控信號放大電路和控制器，分別對氣象傳感器輸出的模擬和數字信號進行采集和處理；可根據需求配置多路采集通道，采集數據可通過串口傳送給上位機。利用高精度JJQ1氣象信號模擬器和61/2位萬用電表搭建實驗平臺對系統(tǒng)進行測試。數據表明，系統(tǒng)具有測量準確度高、通道可配置、擴展性強的特點，還可用于其他領域的多通道信號采集。

數據采集；模塊化；多通道；氣象傳感器

0　引言

隨著氣象產業(yè)快速發(fā)展，人們對氣象數據采集系統(tǒng)的成本、準確度、功耗等標準要求也越來越高；社會需求的增加，促使我國氣象觀測技術快速發(fā)展［1］。國外氣象數據采集系統(tǒng)如DT80、DT85以及CR1000系列等具有良好的靈活性、自主性、兼容性。國內傳統(tǒng)型氣象數據采集系統(tǒng)雖然已經應用于自動氣象站，但跟國外相比，依然存在著差距；比如系統(tǒng)拓展能力有限，采集接口無法通用，氣象要素采集單一等。

利用MSP430F149和EPM570T100C5N設計一種高準確度、多通道、兼容性強的氣象數據采集系統(tǒng)。將硬件電路各功能模塊化；采集接口采用通用性設計，可以適合各種模擬信號輸入。數字信號與模擬信號分別用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)結構

系統(tǒng)通過處理氣象傳感器輸出的電信號來完成溫度、濕度、氣壓、雨量、輻射、蒸發(fā)、風速、風向的測量［2］。常用氣象傳感器輸出信號類型、電信號和氣象量之間的函數關系如表1所示。其中氣壓傳感器PTB220輸出信號既可以是電壓形式，也可以是RS232或者RS485形式。

表1　氣象傳感器輸出信號特征

圖1　氣象數據采集系統(tǒng)框圖

對于模擬信號，通過信號調理電路、模擬開關和A/D轉換電路處理，由MSP430F149單片機完成采集；數字信號經EPM570T100C5N采集后將數據發(fā)送至MSP430F149，由MSP430F149進一步處理。氣壓傳感器輸出的RS232信號可以直接由MSP430F149采集。系統(tǒng)將處理后的氣象數據通過顯示模塊實時顯示，或通過串口將氣象數據傳送給上位機［3］，由上位機進行顯示、存盤等［4］。工作方案如圖1所示。

2　硬件電路設計

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

2.1模擬信號采集電路

2.1.1模擬信號采集接口

每個模擬信號采集接口端有4個接線通道，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通道是信號輸入通道，可以采用差分輸入，從而提高準確度。

3）C通道是接地通道。

采集接口適合電壓、電流、電阻信號的輸入。

2.1.2溫度測量電路

溫度傳感器一般采用PT100，根據PT100阻值與溫度變化成正比的關系，確定溫度［5］，測溫電路如圖2所示。測溫時，AD7793的IOUT1引腳輸出電流設置為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R1與一個低溫漂、高精度參考電阻R2。AD7793的測量通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）分別測量R1與R2兩端的電壓V1、V2；由于R1與R2兩端電壓已知，通過R1與R2的電流相同，根據式（1）：

可知PT100電阻值為

圖2　 溫度測量電路

2.1.3蒸發(fā)、濕度、輻射、氣壓的測量

蒸發(fā)傳感器輸出電流量，要進行I-V轉換才可以完成測量；濕度、輻射、氣壓傳感器輸出電壓量。在進行A/D轉換之前要根據各傳感器輸出信號的特點，以及ADC參考電壓范圍，設計信號調理電路。

信號調理電路由集成單電源儀表放大器AD627［7］和軌道精密運算放大器TLV2461組成。

AD627采用單電源供電，根據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即可調節(jié)其增益［6］?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中：Vout——經過放大后的模擬信號電壓；

Rtype——定值電阻。

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

圖3是輻射傳感器的信號測量與調理電路。其他模擬信號的測量與調理電路與圖3相同。

圖3　輻射傳感器信號調理與測量電路

2.1.4A/D轉換模塊

氣象數據采集系統(tǒng)A/D轉換采用24位高準確度AD芯片AD7793［8］。

AD7793的通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）用于測量溫度，通道2（AIN2+，AIN2-）用于測量其他模擬信號。各模擬信號由CD4051模擬開關控制分時A/D轉換［9］。

2.2數字電路設計及氣壓、風速、風向、雨量的測量

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

風速大小與風速傳感器輸出的脈沖信號頻率成正比例，EPM570T100C5N對脈沖進行計數處理后，將數據發(fā)送至MSP430F149，由MSP430F149計算風速。

風向傳感器輸出7位格雷碼，經過緩沖保護電路，送入EPM570T100C5N進行處理。

雨量傳感器一般為翻斗式，翻斗翻轉1次，輸出1個脈沖信號。EPM570T100C5N在1 min內對雨量傳感器信號計數，根據計數值與雨量換算公式確定雨量。

風速、風向、雨量的測量電路相同，均是先通過保護電路、74HC244緩沖器后由EPM570T100C5N進行處理。

2.3顯示模塊

顯示模塊采用TFTLCD顯示屏。LCD_CS為TFTLCD的片選端，用于控制TFTLCD是否工作，LCD_WR與LCD_RD為TFTLCD的讀寫數據控制引腳。LCD_DB［1］～LCD_DB［16］為TFTLCD的16位雙向數據線［12］，用于數據的傳輸顯示。

2.4通信接口電路

根據系統(tǒng)數據傳輸的特點，選用RS232進行數據傳輸。RS232采用MAX3232集成電路驅動［13］。MSP430F149自帶2個串行接口模塊（USART），UART0 與PTB220進行通信，采集氣壓數據；UART1與上位機進行數據通信。

3　軟件設計

3.1系統(tǒng)時序流程圖

由于采集的信號分為模擬量和數字量，所以采集流程圖分為模擬、數字兩類。

3.2模擬信號采集流程圖

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；分別經過I-V和R-V轉換才能進行A/D轉換。模擬信號采集流程如圖4所示。

3.3數字信號采集流程圖

氣壓傳感器除產生模擬信號外，還可以產生RS232信號，可直接用MSP430F149處理。數字量采集流程如圖5所示。

圖4　模擬量采集流程圖

圖5　數字量采集流程圖

表2　系統(tǒng)測試數據

4　系統(tǒng)測試

為了便于分析數據，采用JJQ1氣象信號模擬器進行系統(tǒng)測試。JJQ1氣象信號模擬器能夠根據實際需求模擬多種傳感器的輸出信號。通過設置JJQ1氣象信號模擬器信號輸出要素和特征值，完成系統(tǒng)數據采集。將設定值和系統(tǒng)測量值進行比對，檢測系統(tǒng)的性能，測試結果如表2所示。

從表2可以看出，傳感器輸出的數字量信號（風速、風向、雨量、氣壓（RS232））測量誤差為0；但是模擬量信號設定值和測量值存在誤差，通過實驗發(fā)現其主要原因是輸出信號受環(huán)境中電磁場影響產生噪聲。

5　結束語

基于MSP430F149與EPM570T100C5N處理器硬件平臺，設計了模塊化多通道通用氣象數據采集系統(tǒng)；在保證準確度前提下，解決了自動氣象站數據采集系統(tǒng)兼容性與擴展性差、采集要素單一的問題。系統(tǒng)能夠準確采集氣象傳感器信號，具有良好的通用性與穩(wěn)定性。

［1］阮雙喜，邱春玲，田地.基于ARM的氣象數據采集系統(tǒng)的研制［J］.吉林大學學報（信息科學版），2006，24（2）：220-224.

［2］ BENGHANEM M.Measurement of meteorological data based on wireless data acquisition system monitoring［J］. Applied Energy，2009，86（12）：2651-2660.

［3］姚娟，張志杰，李麗芳.基于LabVIEW和TCP的數據采集系統(tǒng)設計與實現［J］.電子技術應用，2012，38（7）：72-74.

［4］李紅剛，張素萍.基于單片機和LabVIEW的多路數據采集系統(tǒng)設計［J］.國外電子測量技術，2014，33（4）：62-67.

［5］張莉莉，沙奕卓，行鴻彥.自動氣象站現場溫度校準系統(tǒng)的設計及實現［J］.測控技術，2014，33（3）：6-10.

［6］徐偉，楊緒森，張光宇，等.手持式氣象傳感器現場測量儀的開發(fā)［J］.現代電子技術，2014，37（22）：131-134.

［7］孫惠麗，林凌.低功耗單雙電源供電的軌對軌儀表放大器AD627［J］.國外電子元器件，2002（7）：33-34.

［8］董鳴.AD7793在高精度溫控設備中的應用［J］.電子技術，2012（8）：31-32.

［9］宋吉江，牛軼霞，于春戰(zhàn)，等.CMOS模擬開關及其選擇問題［J］.微電子技術，2001，29（3）：58-60.

［10］呂文華，薛鳴方，行鴻彥.自動氣象站技術與應用［M］.北京：中國質檢出版社，2013.

［11］郭勇，姜學東.基于MSP430單片機的氣象數據采集系統(tǒng)［J］.國外電子測量技術，2007，26（10）：43-46.

［12］任光，葉斌，楊大春，等.數字TFT-LCD驅動電路實驗研究［J］.液晶與顯示，2006，21（1）：87-90.

［13］葛磊蛟，毛一之，李歧，等.基于C語言的RS232串行接口通信實現［J］.河北工業(yè)大學學報，2008，37（6）：11-16.

（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

國家自然科學基金項目（61671248）；江蘇省產學研聯(lián)合創(chuàng)新資金計劃項目（BY2013007-02）；江蘇省高校自然科學研究重大項目（15KJA460008）

張一波（1992-），男，江蘇東?？h人，碩士研究生，專業(yè)方向為信號處理與氣象儀器。