一種自動(dòng)氣象站常用模擬信號(hào)輸出傳感器數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安學(xué)武

摘 要：在氣象要素觀測(cè)及地面氣象探測(cè)設(shè)備維修保障過程中，經(jīng)常需要采集處理各類氣象傳感器輸出信號(hào)，而自動(dòng)氣象站傳感器種類多樣，同類傳感器型號(hào)不同輸出信號(hào)也有差異，本文針對(duì)常用自動(dòng)氣象站傳感器設(shè)計(jì)了一種能夠支持多型號(hào)，具有數(shù)據(jù)采集、智能處理的自動(dòng)氣象站傳感器采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心處理器，信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度指標(biāo)達(dá)到較高水平。文章從該系統(tǒng)的研究背景、研究方法、功能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案與原理等方面進(jìn)行了敘述。

關(guān)鍵詞：氣象傳感器；信號(hào)采集；智能處理

中圖分類號(hào)：S16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530064

引言

近年來，以自動(dòng)氣象站為主的地面氣象探測(cè)設(shè)備向智能化、多型號(hào)方向發(fā)展，傳感器種類及型號(hào)均呈現(xiàn)增多的趨勢(shì)，不僅種類多樣，而且同類傳感器型號(hào)不同輸出信號(hào)也有差異。

在氣象要素觀測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)及地面氣象探測(cè)設(shè)備維修保障過程中，經(jīng)常需要采集處理各類氣象傳感器輸出信號(hào)，本文針對(duì)常用自動(dòng)氣象站模擬信號(hào)輸出的傳感器設(shè)計(jì)了一種能夠支持多型號(hào)，具有數(shù)據(jù)采集、智能處理的自動(dòng)氣象站模擬信號(hào)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心處理器，信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度指標(biāo)達(dá)到較高水平。

本文所述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)輸出傳感器的采集測(cè)試，用于設(shè)計(jì)地面常規(guī)氣象要素探測(cè)設(shè)備，同時(shí)完成在用自動(dòng)氣象站傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試任務(wù)或備份自動(dòng)氣象站傳感器離線測(cè)試任務(wù)。

本設(shè)計(jì)基于STM32微處理器開發(fā)，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。通過STM32系統(tǒng)自帶的庫函數(shù)開發(fā)嵌入式固件程序控制外圍功能電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)通道控制、輸入信號(hào)采集、屏幕輸入輸出顯示控制等功能。

1 自動(dòng)氣象站常用模擬信號(hào)輸出傳感器

按照電性能參數(shù)劃分，自動(dòng)氣象站傳感器可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和智能傳感器3種類型。模擬信號(hào)輸出傳感器將感應(yīng)到的氣象要素值轉(zhuǎn)換成電阻、電容、電壓等模擬信號(hào)輸出，如空氣溫度、空氣濕度、蒸發(fā)傳感器。數(shù)字傳感器將感應(yīng)的被測(cè)氣象要素值轉(zhuǎn)換成脈沖或頻率等串行計(jì)數(shù)信號(hào)或并行數(shù)字電碼信號(hào)輸出，如風(fēng)向、風(fēng)速、雨量傳感器。智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，具有一定的采集和處理功能，能直接輸出被測(cè)要素的采樣值或觀測(cè)值，如溫濕度智能傳感器和氣壓傳感器[1]。目前國(guó)內(nèi)使用的自動(dòng)氣象站常用模擬信號(hào)輸出的傳感器如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括供電單元、接口單元，LCD顯示屏、主控單元、模擬信號(hào)測(cè)量單元、數(shù)字信號(hào)測(cè)量單元、智能信號(hào)讀取單元等構(gòu)成，系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 電源模塊

電源模塊在電子電路設(shè)計(jì)中占有重要的位置，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否能夠成功在很大程度上取決于電源設(shè)計(jì)是否穩(wěn)定。考慮本系統(tǒng)在室外的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)中使用了鋰離子電池及充放電控制電路[2]。充放電控制電路原理圖如圖2所示。

CN3704是PWM降壓模式鋰電池充電管理集成電路，具有獨(dú)立、自動(dòng)管理對(duì)鋰電池充電功能。封裝外形及尺寸較小，所需外圍元器件少和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。具有恒流和恒壓充電模式，在恒壓充電模式，CN3704將電池電壓調(diào)制在16.8V，精度為±1%；在恒流充電模式，充電電流通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。對(duì)于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于11.2V時(shí)，CN3704用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻所設(shè)置的值時(shí)，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到16V時(shí)，自動(dòng)開始新的充電周期。

在自動(dòng)氣象站備份傳感器離線檢查測(cè)試過程中需要為傳感器提供激勵(lì)源，目前我國(guó)在用自動(dòng)氣象站傳感器使用的電源一般為直流12V或直流5V。另外，系統(tǒng)核心處理板需要直流3.3V電源。輸出+12V電源電路原理圖如圖3。

TPS5430是一個(gè)高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器，集成了低阻抗N溝道MOSFET。其內(nèi)部集成了一個(gè)高性能的電壓誤差放大器，在瞬態(tài)條件下有嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度，具有欠壓鎖定功能，以防止輸入電壓達(dá)到5.5V時(shí)啟動(dòng)；內(nèi)置慢啟動(dòng)電路限制浪涌電流，電壓前饋電路改善瞬態(tài)響應(yīng)。其他功能還包括一個(gè)靈敏的高電平使能端、過電流保護(hù)和熱關(guān)機(jī)。

使用多片TPS5430用于提供不同的電源，可以通過調(diào)節(jié)TPS5430的VSE管腳電壓來達(dá)到改變輸出電壓的目的，也即合理設(shè)置R20、R21、R30的阻值就可以輸出+5V及+3.3V電源。

2.2 主控單元、顯示控制單元簡(jiǎn)介

現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般應(yīng)用可程序控制的MCU作為核心單元，完成電路的邏輯控制。利用MCU豐富的片上資源及嵌入式程序開發(fā)快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)并降低硬件開銷。一般微控制器的選擇根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)男吞?hào)，本文所述設(shè)計(jì)中微控制器采用ARM Cortex-M3構(gòu)架芯片作為主控制器，所用型號(hào)為STM32F103VCT6，片上資源包括80個(gè)快速I/O，2個(gè)12位AD，7個(gè)定時(shí)器，9個(gè)通信接口，完全符合需求。本文中微控制器完成信號(hào)輸入通道選通控制、信號(hào)采集處理，TFT液晶顯示器顯示控制，按鍵輸入控制等功能。

顯示屏可以選擇LCD屏或LED屏，不同的顯示屏有不同的驅(qū)動(dòng)方式，需要根據(jù)需要及核心處理器片上資源進(jìn)行合理選擇。在智能設(shè)備中按鍵設(shè)計(jì)一般使用矩陣式鍵盤，需要根據(jù)功能劃分確定按鍵數(shù)量，按鍵數(shù)量的多少直接影響操作目錄的層數(shù)，一般按鍵數(shù)量越多操作目錄的層數(shù)越少，但按鍵太多不僅會(huì)增加硬件開銷，而且操作不便。本文中所述系統(tǒng)根據(jù)需求采用了3.2寸TFT液晶顯示器及4×5矩陣鍵盤。

2.3 傳感器模擬信號(hào)測(cè)量單元

目前國(guó)內(nèi)常用自動(dòng)氣象站模擬信號(hào)輸出的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、使用直流電壓輸出的氣壓傳感器、使用直流電壓輸出的風(fēng)向傳感器、直流電流輸出的蒸發(fā)傳感器、輻射傳感器6種。按照復(fù)用電路設(shè)計(jì)原則，六路信號(hào)分時(shí)采用一片A/D轉(zhuǎn)換器，所以在前端需要信號(hào)選通控制單元[3]。模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換控制電路原理圖如圖4。

圖4中使用2片ADG408BRZ分別作為差分模擬信號(hào)的高端、低端選通控制，ADG408BRZ是一款單芯片CMOS模擬多路復(fù)用器，內(nèi)置8個(gè)單通道。AIN1～AIN6分別為溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、輻射、蒸發(fā)傳感器輸出信號(hào)，A0、A1、A2為二進(jìn)制地址線用于將8路輸入之一切換至公共輸出D端。該器件的EN輸入為芯片使能端，用來使能或禁用器件，高電平有效，故在圖中接VCC高電平。兩路ADG408BRZ輸出信號(hào)經(jīng)整流濾波后接入數(shù)字可編程增益儀表放大器AD8253ARMZ進(jìn)行信號(hào)放大，AD8253是具有低輸出噪聲、低失真特性，高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖4中AD8253管腳6接負(fù)電壓為透明增益模式，微控制器通過控制A1、A0電平高低可以根據(jù)需求程序設(shè)置實(shí)時(shí)信號(hào)的增益為1、10、100或1000。AD8253管腳7為信號(hào)輸出，輸出信號(hào)經(jīng)濾波后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100輸入信號(hào)高端，ADS1100為全差分輸入、16位分辨率、有自校準(zhǔn)功能的精密A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)SDA為數(shù)字信號(hào)，接入微控制器I2C端口ADS1100的SCL為時(shí)鐘線。

在圖4模擬信號(hào)處理中可以發(fā)現(xiàn)還需要-12V，基準(zhǔn)5V（REF5V）電源，2種電源電路原理圖如圖5所示。

在模擬輸出信號(hào)采集處理過程中溫度傳感器和蒸發(fā)傳感器比較特殊，溫度傳感器為四線制鉑電阻，蒸發(fā)傳感器輸出一個(gè)小電流，都不能被A/D轉(zhuǎn)換器直接處理。按照四線制電阻測(cè)量原理，需要給傳感器提供一個(gè)恒流源，恒定電流流通傳感器后產(chǎn)生電壓降，同樣蒸發(fā)傳感器輸出的電流先輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生電壓降，然后再通過信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行采集。恒流源產(chǎn)生及蒸發(fā)信號(hào)處理電路原理圖如圖6，I-SOU為輸出的2mA恒流源。

3 固件軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包涵了大規(guī)模的固件程序設(shè)計(jì)，用以完成LCD屏顯示控制、外圍功能電路控制、矩陣鍵盤掃描、采集數(shù)據(jù)的解算等。固件程序使用STM32自帶標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫、函數(shù)庫開發(fā)，具有開發(fā)速度快、易讀易維護(hù)的特點(diǎn)。開發(fā)過程中采用了模塊化設(shè)計(jì)，易于調(diào)試和功能擴(kuò)展。

開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，包括硬件IO初始化配置、定時(shí)器初始化、LCD液晶初始化、鍵盤接口配置、默認(rèn)狀態(tài)設(shè)置及顯示等。自檢后進(jìn)入默認(rèn)狀態(tài)并等待用戶的按鍵操作，用戶操作后系統(tǒng)進(jìn)入用戶設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)定型后經(jīng)過了系統(tǒng)的測(cè)試，主要測(cè)試了模擬信號(hào)采集的準(zhǔn)確度。使用的對(duì)比設(shè)備為吉時(shí)利2000型6位半數(shù)字萬用表，經(jīng)比對(duì)，采集系統(tǒng)與新型自動(dòng)氣象站的指標(biāo)相符。

5 結(jié)束語

經(jīng)過設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試，自動(dòng)氣象站模擬信號(hào)傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，可以作為地面氣象探測(cè)設(shè)備的測(cè)試測(cè)量?jī)x器，應(yīng)用于自動(dòng)氣象站現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)試業(yè)務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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