海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器的研制

摘要：針對海洋環(huán)境監(jiān)測工作的實際需要，以高性能單片執(zhí)C8051F120為核心研制了一種海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器。采集器采用成熟的工業(yè)級集成電路芯片和元器件、配備X5043看門狗芯片，保證了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；采用交流電和太陽能電池雙供電模式，應(yīng)用B1203LS有效降低了系統(tǒng)功耗；配備有線／無線通訊接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，其運行穩(wěn)定可靠、維護管理簡單，具有較大的實用價值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋水文氣象；數(shù)據(jù)采集器；C8051F120；軟件設(shè)計

    海洋數(shù)據(jù)采集器的基本任務(wù)是獲取氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分和關(guān)鍵設(shè)備。此前一般按照其采集要素的類型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類，并分類進行研發(fā)和應(yīng)用；該方式人為將其分得過細，存在研發(fā)效率低、研制成本高、后期維護和管理繁瑣等諸多弊端，為此筆者以高性能單片機C8051F120為校心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類要素信息檢測的綜合型海洋信息數(shù)據(jù)采集器，其提供有線和無線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺、船舶等多類站點的監(jiān)測。

1 總體設(shè)計
    采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集。現(xiàn)場傳感器或檢測儀表負責各種海洋信息的檢測，將參數(shù)物理量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，是采集器的信號輸入前端；雖然各種海洋參數(shù)檢測傳感器的工作原理各不相同、結(jié)構(gòu)也多種多樣，但其輸出信號無非是數(shù)字信號(RS232)、模擬信號或脈沖信號。采集器的信號接口及通訊接口設(shè)置需要與傳感器的信號輸出形式相匹配才能完成數(shù)據(jù)采集功能，是實現(xiàn)采集器通用性的關(guān)鍵因素之一，為此綜合數(shù)據(jù)采集器設(shè)置了3類信號接收接口：RS232串口、模擬信號接口和脈沖信號接口。

    采集器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU模塊(單片機)作為整個采集器的控制核心，負責完成信號的多路采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運算、上位機指令監(jiān)聽，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示和鍵盤操作等控制功能。信號輸入模塊負責采集和調(diào)理各類水文氣象要素信息信號，然后將其送往MCU。單片機對輸入信號進行集中采集和處理后為每個數(shù)據(jù)都加上時間標簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲器；單片機實時監(jiān)聽上位機指令，并通過有線或無線通信接口向上位機傳輸數(shù)據(jù)。
    通信接口實現(xiàn)上位機與下采象器的相互通信，上位機可以通過發(fā)送指令選擇采集器工作在水文采集還是氣象采集模式之下，上位機也可以通過指令修改采集器的系統(tǒng)時間。
    為了安裝和調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計了液晶和鍵盤模塊，用來快捷完成采集器工作模式的選擇、系統(tǒng)時鐘的設(shè)定、水文或氣象參數(shù)的最大值和最小值設(shè)定等功能。
    其他外設(shè)包括硬件看門狗模塊、FLASH存儲模塊、實時時鐘模塊和供電電源模塊四個部分。由于采集器需要長期工作在無人看守的場合，為此需要設(shè)計硬件看門狗模塊，當單片機死機或程序跑飛時自動重啟采集器的軟硬件系統(tǒng)。采集器的數(shù)據(jù)存儲量較大，因此設(shè)置了外部FLASH存儲模塊。數(shù)據(jù)傳輸格式要求用時間來標記不同時刻的數(shù)據(jù)，因此設(shè)置了實時時鐘模塊。采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場合，為此設(shè)置了交流電源供電和12V太陽能電池供電的雙供電電路。

2 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 信號輸入接口設(shè)計
    RS232信號(如激光測距傳感器或溫鹽傳感器的輸出信號)經(jīng)過MAX232進行電平轉(zhuǎn)化后，進入外擴串口芯片ST16C554D，然后進入MCU。模擬信號(如氣壓傳感器、濕溫傳感器或風向傳感器的輸出信號)經(jīng)16位A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX1168轉(zhuǎn)換之后進入MCU。為防止高強度干擾損壞單片機，在信號進入單片機之前經(jīng)過壓保護電路和光電隔離電路進行電平轉(zhuǎn)換和隔離。
2．2 單片機選型
    單片機核心控制模塊由C8051F120單片機最小系統(tǒng)和鍵盤／液晶顯示電路構(gòu)成。C8051F系列單片機是Silicone Laboratories公司生產(chǎn)的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，其精簡了指令集，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。C8051F120單片機具有100MIPS的處理峰值、128 kB的FLASH存儲器、8448B的RAM、可外接存儲器、具有12位A／D(轉(zhuǎn)換峰值可達100 ksps)、64個I／O端口。為了方便野外安裝和設(shè)備測試，設(shè)計了鍵盤和液晶顯示模塊。采集器選用OCM12864-8型液晶顯示模塊，其與單片機連接只需5根數(shù)據(jù)線，其內(nèi)置字庫，可以輕松顯示中／英文文字、數(shù)字和簡單的圖片信息。
2．3 外擴存儲芯片選型
    數(shù)據(jù)存儲時，每分鐘數(shù)據(jù)以一條記錄時形式存入文件。測量數(shù)據(jù)以ASCII字符存儲，各要素數(shù)據(jù)按照讀取配置文件時得到的要素順序排列，并在記錄前面加上采集時間。
    系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的新型FLASH芯片AT45DB041D作為C8051F120的外部擴展存儲芯片，其采用8腳的SOIC封裝，具有容量大、讀寫速度快、外圍電路少等諸多優(yōu)點，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，功耗較小。AT45DB041D與C8051F120連接如圖2所示。

2. 4 時鐘芯片選型及看門狗電路設(shè)計
    系統(tǒng)選用DS1305實時時鐘芯片，其通過SPI總線與C8051F120相連。采集器設(shè)置了看門狗電路，選用INTERSIL公司生產(chǎn)的X5043型看門狗芯片，其具有上電復(fù)位、高電壓復(fù)位功能，內(nèi)置可編程看門狗定時器、4Kbit3-WIRE接口非易失牲ERPROM。在采集器的工作過程中，如果MCU或外設(shè)失效，導(dǎo)致系統(tǒng)“死鎖”或者“跑飛”，看門狗定時器自動激活X5043的RESET引腳，停止MCU的工作，200ms后重新啟動單片機進行工作。外部擴展存儲芯片、時鐘芯片、看門狗芯片均以SPI總線形式與單片機進行通信，節(jié)省了單片機的管腳資源。
2．5 供電電路設(shè)計
    采集器采用雙供電模式，即交流電源供電和太陽能電池供電。交流電源通過工業(yè)級AC／DC模塊LH10-10B09轉(zhuǎn)化為直流輸入，經(jīng)各種穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為各個模塊所需的供電電壓。12 V太陽能電池在交流電源掉電時為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)采用B1203LS非線性變壓模塊，轉(zhuǎn)化效率高達80％、功耗低。經(jīng)測試B1203LS為采集器提供12V工作電壓時，電流僅為80mA，功率僅為0．96W。

3 采集器軟件設(shè)計與開發(fā)
    采集器軟件采用自頂向下和模塊化方法進行設(shè)計。核心器件C8051F120單片機以中斷工作方式為主、以查詢工作方式為輔，用中斷方式進行數(shù)據(jù)采集和響應(yīng)上位機命令、用查詢方式對數(shù)據(jù)信息進行存儲。系統(tǒng)上電后首先初始化各個模塊，然后啟動硬件看門狗，接著等待定時器中斷進行數(shù)據(jù)采集并等待上位機命令，之后查詢一分鐘時間是否到，如果一分鐘時間到則處理并存儲采集到的數(shù)據(jù)。采集器軟件流程如圖3所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用
    海洋環(huán)境監(jiān)測自動化系統(tǒng)一般由系統(tǒng)上位機和現(xiàn)場采集設(shè)備兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
    現(xiàn)場采集設(shè)備安裝在各個監(jiān)測站點，包括數(shù)據(jù)采集器、要素傳感器及其它附屬設(shè)備。數(shù)據(jù)采集器讀取傳感器輸出信號，經(jīng)過處理得到測量值，完成單個站點的數(shù)據(jù)采集，是上位機系統(tǒng)的前端設(shè)備和數(shù)據(jù)來源，也是整個系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)監(jiān)測站點的類型(岸基監(jiān)測臺站、近海觀測島嶼、綜合觀測平臺、移動監(jiān)測船舶等)和監(jiān)測現(xiàn)場的具體設(shè)施條件，采集器有選擇的通過有線或無線通訊方式接入專網(wǎng)與上位機進行通訊，上位機通過配套軟件程序讀取各測點采集器中的測量數(shù)據(jù)信息，完成對現(xiàn)場海洋環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)比對表明，水文氣象綜合采集器的測量值誤差均小于0．1％，滿足海洋觀測現(xiàn)場對各觀測要素的測量精度要求。

5 結(jié)束語
    針對海洋環(huán)境監(jiān)測工作的實際需要，以高性能單片機C8051F120為核心器件研制了一種接口功能強大、應(yīng)用現(xiàn)場廣泛的海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器。采集器配備大容量存儲芯片，支持有線／無線數(shù)據(jù)傳輸，配備液晶／鍵盤和日歷時鐘，可以通過太陽能電池供電，可以長期獨立工作在無人值守的觀測現(xiàn)場；采用成熟的工業(yè)級集成電路芯片和元器件，保證了系統(tǒng)可靠性，適用于惡劣的海洋環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場；配備看門狗，在系統(tǒng)斷電、意外死機或程序跑飛等故障發(fā)生時自動重啟，保證軟件的穩(wěn)定運行；通過修改配置文件，就可以實現(xiàn)水文和氣象采集器的互換使用；有線／無線通訊接口的設(shè)置擴大了采集器的兼容性、弱化了現(xiàn)場安裝條件，使其適用于海岸、島嶼、平臺、船舶等多類監(jiān)測靖點。目前已經(jīng)有多套采集器在國家海洋局東海分局現(xiàn)場投入使用，現(xiàn)場應(yīng)用表明，其安裝方便、使用靈活、運行穩(wěn)定可靠、維護管理簡單，較好的完成了預(yù)期數(shù)據(jù)采集功能，具有較大的實用價值和應(yīng)用前景。