趙建凱，重陽，安學武，張晨陽

（內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010100）

隨著我國氣象事業(yè)的蓬勃發(fā)展，自動氣象站點數(shù)量越來越大，自動氣象站的技術(shù)保障任務(wù)越來越重，特別是綜合氣象觀測取得ISO9001 認證以來，對臺站技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力提出了更高的要求，但迫于臺站備件數(shù)量較少的現(xiàn)狀，保障技術(shù)人員的日常訓練與學習都沒有實際操作的條件，保障能力很難進步，從而影響氣象數(shù)據(jù)的觀測。

受制于氣象探測設(shè)備價格昂貴的現(xiàn)狀，臺站和地市級氣象部門專門購買設(shè)備作為訓練平臺不僅在資金上存在較大的浪費，而且由于靈活性差的原因也難以達到最好的培訓學習效果。此外，臺站技術(shù)人員在故障排查中經(jīng)常會出現(xiàn)無法根據(jù)電參數(shù)確定故障點的情況，缺乏標準信號比對平臺及測試測量、故障排查的演練平臺。

目前，在工業(yè)現(xiàn)場控制、電子電路設(shè)計、航空航天等領(lǐng)域均有模擬真實設(shè)備運行而建立的實驗仿真平臺，但在氣象裝備方面仍沒有成型且業(yè)務(wù)化應(yīng)用的仿真平臺設(shè)備，所以有必要開發(fā)一套在結(jié)構(gòu)與電氣特點方面與業(yè)務(wù)設(shè)備相同，能夠代表業(yè)務(wù)自動氣象站數(shù)據(jù)采集設(shè)備電參數(shù)及功能特點，且適用于實操培訓及故障排查演練的硬件仿真平臺。

1 總體設(shè)計與結(jié)構(gòu)

硬件仿真平臺由仿真主采集器、仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器和機箱結(jié)構(gòu)組成。在外形結(jié)構(gòu)上，所有設(shè)備均安裝于操作臺架之上，仿真平臺面板結(jié)構(gòu)如圖1 所示，左側(cè)區(qū)域掛載常用氣象要素傳感器或仿真?zhèn)鞲衅髂K，支持四線制PT100 溫度傳感器[1]、濕度傳感器、風向風速傳感器、翻斗雨量傳感器及蒸發(fā)傳感器；中間區(qū)域掛載仿真采集設(shè)備及仿真機箱部件；右側(cè)區(qū)域掛載顯示屏及常規(guī)接口等人機交互設(shè)備。

圖1 仿真平臺面板結(jié)構(gòu)

仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器通過CAN 總線連接于機箱結(jié)構(gòu)接線端口，最終與仿真主采集器CAN 總線端口相連[2]，各要素傳感器可通過對應(yīng)連接線纜連接到機箱結(jié)構(gòu)對應(yīng)接口，最終連接于仿真主采集器對應(yīng)要素的數(shù)據(jù)采集端口。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真采集設(shè)備電路設(shè)計時，將內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)分為主板和接口板兩部分，接口板采用一體化設(shè)計，通過選擇性的元器件焊接，可同時兼容DZZ6、DZZ5、DZZ4 型自動氣象站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。接口板通過FFC/FPC 排線與主板進行連接，最大程度縮小設(shè)備體積，電源電路布設(shè)在接口板上，通過排線為主板提供不同等級的工作電壓。

仿真采集設(shè)備主板電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主板采用多功能復用設(shè)計，布設(shè)各氣象要素傳感器的信號采集與調(diào)理電路、MCU 最小系統(tǒng)電路模塊及數(shù)據(jù)存儲模塊等，具備各要素傳感器的數(shù)據(jù)采集與通信功能。通過更換接口板，刷寫固件程序，即可仿真多種型號的采集設(shè)備。

圖2 仿真采集設(shè)備電路主板結(jié)構(gòu)

仿真采集設(shè)備外殼采用統(tǒng)一規(guī)格標準的鋁合金外盒制作。

2.1 電源電路

仿真采集設(shè)備工作電壓為12 V 直流電壓，設(shè)備內(nèi)部電路模塊工作電壓等級涉及5 V 與3.3 V 直流電壓。電源模塊采用寬輸入電壓DC-DC 模塊K7805-500R3 與K7803-500R3 實現(xiàn)，其輸入電壓范圍覆蓋6.5～36 V，能夠最大程度降低使用者供電錯誤導致的設(shè)備損毀故障。電路原理圖如圖3 所示，外部供電首先經(jīng)過TVS 二極管D1，以及可恢復保險絲FU 實現(xiàn)端口保護，避免內(nèi)部電路被導線引入的電壓尖峰或接入錯誤電壓等級的電源損壞，其次通過在K7803/5 模塊前后增加必要的濾波及去耦電容實現(xiàn)穩(wěn)定的3.3 V 與5 V 電源供應(yīng)[3-4]。

圖3 電源模塊電路原理圖

2.2 數(shù)字信號電路處理

仿真平臺采集設(shè)備具有常規(guī)要素的數(shù)據(jù)采集功能，其中常規(guī)氣象要素中的翻斗雨量、風向、風速傳感器為數(shù)字信號，在數(shù)字信號處理時，主要采用74HC14 作為信號處理芯片。74HC14 是一款兼容TTL 器件引腳的高速CMOS 器件，邏輯功能為六路斯密特觸發(fā)反相器，其耗電量低、速度快，能夠起到信號整形與緩存的作用[5-7]。

主板共使用兩片74HC14 芯片，翻斗雨量傳感器為通斷信號，降水量每達到0.1 mm 輸出一個通斷信號，信號經(jīng)74HC14 輸入到STM32 的外部中斷引腳進行檢測，通過計算分鐘內(nèi)通斷信號次數(shù)并統(tǒng)計，完成降水量數(shù)據(jù)采集，使用一路信號線；風向傳感器為七位格雷碼信號，風向標轉(zhuǎn)動一周輸出128 個角度值，信號經(jīng)MCU 采集后，首先完成格雷碼與BCD 碼的轉(zhuǎn)換，其次經(jīng)過計算得出實時風向數(shù)值，共使用七路信號線；風速傳感器為5 V 頻率信號，MCU 完成頻率采集后，依據(jù)各型號風速傳感器的轉(zhuǎn)換公式完成實時數(shù)據(jù)計算，需要一路信號線[8-10]。電路如圖4 所示。

圖4 數(shù)字信號處理電路

2.3 模擬信號處理電路

仿真平臺采集設(shè)備的模擬信號處理電路實現(xiàn)了以模擬信號方式輸出的傳感器信號處理。如圖5 所示，該電路模塊主要由三片CD4051 和一片AD7792組成。仿真采集器涉及到的模擬信號包括三路四線制溫度傳感器信號、一路濕度傳感器信號、二路蒸發(fā)傳感器信號。六路傳感器信號通過模擬開關(guān)CD4051進行選通，分別送入AD7792 進行處理。

圖5 模擬信號處理電路

AD7792 多路復用模數(shù)轉(zhuǎn)換器為適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，其內(nèi)置三個差分模擬輸入的16 位/24 位Σ-Δ型ADC，內(nèi)置了低噪聲儀表放大器，及可編程激勵電流源，該芯片可直接輸入小信號進行測量，并通過SPI 端口與MCU 進行通信[11-12]。

四線制溫度傳感器數(shù)據(jù)采集時，首先通過AD7792 的IOUT1 端輸出恒定電流作為激勵，其次通過AIN1+與AIN1-端口對鉑電阻溫度傳感器進行電壓測量，從而計算出對應(yīng)溫度數(shù)據(jù)，其中R79為0.01%的高精度電阻，主要用來完成自檢及標定。

濕度傳感器信號為0～1 V 的直流電壓，通過CD4051 選通后，使用AD7792 的AIN1 通道實現(xiàn)差分測量，依據(jù)轉(zhuǎn)換公式計算得出相對濕度數(shù)據(jù)。

針對4～20 mA 電流輸出形式的蒸發(fā)傳感器，首先通過高精度電阻R34與R35完成I/V 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過選通以及AD7792 完成數(shù)據(jù)的采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而通過測得的電壓計算得出蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。

在模擬信號處理電路模塊工作中，MCU 處理器完成了CD4051 的選通控制及AD7792 的參數(shù)配置與數(shù)據(jù)讀取。

2.4 主控單元

主控制芯片選用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM 32F103VET6，完成傳感器信號的采集、外圍電路控制、信號處理、數(shù)據(jù)計算、人機交互控制等。該芯片主頻72 MHz，內(nèi)部集成兩個SPI，兩個I2C，五個USART，一個CAN 通信控制器外設(shè)，另外具備128 kB閃存存儲空間，20 kB RAM 存儲空間。片上資源能夠滿足該設(shè)計的要求[13-15]。

2.5 RS232信號轉(zhuǎn)換電路

仿真采集設(shè)備支持五路RS232 信號端口，TTL電平與RS232 電平的互轉(zhuǎn)依靠MAX3232 芯片實現(xiàn)，該芯片每一片支持兩路信號，仿真采集設(shè)備共使用三片MAX3232 芯片。五路RS232 端口分別為氣壓傳感器、稱重降水傳感器、雪深傳感器、能見度傳感器數(shù)據(jù)采集端口及通信終端端口。

2.6 CAN總線通信電路

仿真平臺主采集器與仿真雨量多傳感器標準控制器、仿真氣溫多傳感器標準控制器的通信采用CAN 總線方式實現(xiàn)。CAN 總線電路如圖6所示，由主控制芯片STM32 內(nèi)置的CAN 控制器及TJA1050 CAN收發(fā)器組成，TJA1050 是PCA82C250 和PCA82C251之后的第三代Philips 高速CAN 收發(fā)器，是目前廣泛應(yīng)用的CAN 總線通信收發(fā)器芯片[16]。

圖6 CAN總線電路原理圖

2.7 數(shù)據(jù)存儲電路

硬件仿真平臺采集設(shè)備在運行時，支持部分命令的參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)需要保存在內(nèi)部存儲器中，以免重新上電后參數(shù)消失，同時為數(shù)據(jù)存儲拓展預留空間，內(nèi)部分別選用FRAM鐵電存儲器FM24CL64B與MRAM磁性隨機存儲器W25Q128FVSIG 作為存儲芯片。該芯片通過I2C 總線與MCU 進行數(shù)據(jù)交互。

2.8 仿真機箱部件

仿真機箱部件是采集設(shè)備硬件仿真平臺必不可少的部件，主要由仿真機箱接口面板、仿真防雷板、仿真采集設(shè)備安裝區(qū)位、以及必要的連接線纜和底板構(gòu)成。其中，底板及仿真機箱接口面板對應(yīng)接線端子處均對接口線序和接線名稱進行了標識，便于實訓測試及記憶。仿真機箱部件整體安裝于仿真平臺上。

3 軟件部分設(shè)計

固件程序采用C 語言在Keil MDK 工具中完成。實現(xiàn)電路模塊的驅(qū)動、控制以及通信等。仿真采集設(shè)備支持業(yè)務(wù)采集設(shè)備所有命令，命令使用方法、通信參數(shù)均一致，區(qū)別在于仿真采集設(shè)備的命令具有漢字注釋，能夠解釋命令功能、以及返回值意義、注意事項、參數(shù)意義等。固件程序設(shè)計流程如圖7 所示。

圖7 軟件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)上電后，首先依據(jù)預置參數(shù)對MCU 外設(shè)及AD7792 進行初始化，進入主程序運行。在主程序中首先依據(jù)串口中斷標志，進入串口命令處理程序，該模塊實現(xiàn)串口訪問人機交互的相關(guān)命令處理。

其次進入傳感器數(shù)據(jù)檢測程序。在該程序塊中完成所有傳感器的數(shù)據(jù)檢測及計算，同時通過CAN總線讀取仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器的檢測數(shù)據(jù)，并存儲。其中雨量數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)及小時數(shù)據(jù)形式存儲，風向風速數(shù)據(jù)以2 分鐘平均和10 分鐘平均方式存儲，溫度、濕度、氣壓、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)以分鐘數(shù)據(jù)形式存儲。

4 系統(tǒng)測試

硬件仿真平臺完成設(shè)計后進行整體測試，使用檢定合格的標準器“HY-2000 自動氣象站采集器校準儀”作為傳感器信號源，分別與仿真采集設(shè)備和編號為300014043357 的DZZ5 型業(yè)務(wù)采集器連接，對兩種采集設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果如表1所示。

表1 采集數(shù)據(jù)比對結(jié)果

從表1 可以看出，各氣象要素業(yè)務(wù)采集設(shè)備與仿真采集設(shè)備的三個校準點數(shù)據(jù)誤差均較小，總體上業(yè)務(wù)采集設(shè)備精度略高于仿真采集設(shè)備。從采集設(shè)備的誤差值來看，其數(shù)據(jù)采集精度完全滿足作為培訓實操、測試測量訓練使用。

在命令交互方面，仿真采集設(shè)備共集成250 余條串口命令，并對所有命令及返回信息增加漢語注釋，包括命令介紹、使用說明、命令字符意義解釋等共計600 余條。

5 結(jié)束語

通過充分的前期調(diào)研和需求分析，從硬件角度研究并開發(fā)的自動氣象站數(shù)據(jù)采集設(shè)備仿真平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)傳感器的檢測以及串口命令交互。仿真采集系統(tǒng)在實現(xiàn)業(yè)務(wù)設(shè)備命令交互仿真的基礎(chǔ)上，針對實訓需求進行定制，使用效果優(yōu)于業(yè)務(wù)設(shè)備?？勺鳛楝F(xiàn)有自動氣象站設(shè)備技術(shù)保障培訓方式的一種補充，以及故障排除的演練平臺和傳感器檢測平臺。

目前，該設(shè)備已在內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心骨干培養(yǎng)及設(shè)備保障技術(shù)支持領(lǐng)域進行了應(yīng)用，平臺結(jié)構(gòu)簡單易于操作，基于培訓實操、故障排除演練領(lǐng)域的應(yīng)用需求，具有較強的推廣應(yīng)用前景。