海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器的研制

摘要：針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的實(shí)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(jí)集成電路芯片和元器件、配備X5043看門(mén)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(yáng)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(wú)線通訊接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)管理簡(jiǎn)單，具有較大的實(shí)用價(jià)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(jì)

    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(cè)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(lèi)型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類(lèi)，并分類(lèi)進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用；該方式人為將其分得過(guò)細(xì)，存在研發(fā)效率低、研制成本高、后期維護(hù)和管理繁瑣等諸多弊端，為此筆者以高性能單片機(jī)C8051F120為校心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類(lèi)要素信息檢測(cè)的綜合型海洋信息數(shù)據(jù)采集器，其提供有線和無(wú)線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺(tái)、船舶等多類(lèi)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)
    采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集。現(xiàn)場(chǎng)傳感器或檢測(cè)儀表負(fù)責(zé)各種海洋信息的檢測(cè)，將參數(shù)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，是采集器的信號(hào)輸入前端；雖然各種海洋參數(shù)檢測(cè)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(hào)無(wú)非是數(shù)字信號(hào)(RS232)、模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)。采集器的信號(hào)接口及通訊接口設(shè)置需要與傳感器的信號(hào)輸出形式相匹配才能完成數(shù)據(jù)采集功能，是實(shí)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(lèi)信號(hào)接收接口：RS232串口、模擬信號(hào)接口和脈沖信號(hào)接口。

    采集器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU模塊(單片機(jī))作為整個(gè)采集器的控制核心，負(fù)責(zé)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(tīng)，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示和鍵盤(pán)操作等控制功能。信號(hào)輸入模塊負(fù)責(zé)采集和調(diào)理各類(lèi)水文氣象要素信息信號(hào)，然后將其送往MCU。單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行集中采集和處理后為每個(gè)數(shù)據(jù)都加上時(shí)間標(biāo)簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲(chǔ)器；單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)指令，并通過(guò)有線或無(wú)線通信接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
    通信接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下采象器的相互通信，上位機(jī)可以通過(guò)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(jī)也可以通過(guò)指令修改采集器的系統(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(pán)模塊，用來(lái)快捷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)的最大值和最小值設(shè)定等功能。
    其他外設(shè)包括硬件看門(mén)狗模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和供電電源模塊四個(gè)部分。由于采集器需要長(zhǎng)期工作在無(wú)人看守的場(chǎng)合，為此需要設(shè)計(jì)硬件看門(mén)狗模塊，當(dāng)單片機(jī)死機(jī)或程序跑飛時(shí)自動(dòng)重啟采集器的軟硬件系統(tǒng)。采集器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，因此設(shè)置了外部FLASH存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)傳輸格式要求用時(shí)間來(lái)標(biāo)記不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此設(shè)置了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。采集器有可能工作在沒(méi)有交流電源的工作場(chǎng)合，為此設(shè)置了交流電源供電和12V太陽(yáng)能電池供電的雙供電電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 信號(hào)輸入接口設(shè)計(jì)
    RS232信號(hào)(如激光測(cè)距傳感器或溫鹽傳感器的輸出信號(hào))經(jīng)過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化后，進(jìn)入外擴(kuò)串口芯片ST16C554D，然后進(jìn)入MCU。模擬信號(hào)(如氣壓傳感器、濕溫傳感器或風(fēng)向傳感器的輸出信號(hào))經(jīng)16位A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX1168轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入MCU。為防止高強(qiáng)度干擾損壞單片機(jī)，在信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前經(jīng)過(guò)壓保護(hù)電路和光電隔離電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離。
2．2 單片機(jī)選型
    單片機(jī)核心控制模塊由C8051F120單片機(jī)最小系統(tǒng)和鍵盤(pán)／液晶顯示電路構(gòu)成。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，其精簡(jiǎn)了指令集，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。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(轉(zhuǎn)換峰值可達(dá)100 ksps)、64個(gè)I／O端口。為了方便野外安裝和設(shè)備測(cè)試，設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)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(jī)連接只需5根數(shù)據(jù)線，其內(nèi)置字庫(kù)，可以輕松顯示中／英文文字、數(shù)字和簡(jiǎn)單的圖片信息。
2．3 外擴(kuò)存儲(chǔ)芯片選型
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，每分鐘數(shù)據(jù)以一條記錄時(shí)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。
    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(kuò)展存儲(chǔ)芯片，其采用8腳的SOIC封裝，具有容量大、讀寫(xiě)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，功耗較小。AT45DB041D與C8051F120連接如圖2所示。

2. 4 時(shí)鐘芯片選型及看門(mén)狗電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)選用DS1305實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，其通過(guò)SPI總線與C8051F120相連。采集器設(shè)置了看門(mén)狗電路，選用INTERSIL公司生產(chǎn)的X5043型看門(mén)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(mén)狗定時(shí)器、4Kbit3-WIRE接口非易失牲ERPROM。在采集器的工作過(guò)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(mén)狗定時(shí)器自動(dòng)激活X5043的RESET引腳，停止MCU的工作，200ms后重新啟動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行工作。外部擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片、看門(mén)狗芯片均以SPI總線形式與單片機(jī)進(jìn)行通信，節(jié)省了單片機(jī)的管腳資源。
2．5 供電電路設(shè)計(jì)
    采集器采用雙供電模式，即交流電源供電和太陽(yáng)能電池供電。交流電源通過(guò)工業(yè)級(jí)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(gè)模塊所需的供電電壓。12 V太陽(yáng)能電池在交流電源掉電時(shí)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(dá)80％、功耗低。經(jīng)測(cè)試B1203LS為采集器提供12V工作電壓時(shí)，電流僅為80mA，功率僅為0．96W。

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

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)一般由系統(tǒng)上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
    現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備安裝在各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，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(hào)，經(jīng)過(guò)處理得到測(cè)量值，完成單個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，是上位機(jī)系統(tǒng)的前端設(shè)備和數(shù)據(jù)來(lái)源，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的類(lèi)型(岸基監(jiān)測(cè)臺(tái)站、近海觀測(cè)島嶼、綜合觀測(cè)平臺(tái)、移動(dòng)監(jiān)測(cè)船舶等)和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的具體設(shè)施條件，采集器有選擇的通過(guò)有線或無(wú)線通訊方式接入專(zhuān)網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，上位機(jī)通過(guò)配套軟件程序讀取各測(cè)點(diǎn)采集器中的測(cè)量數(shù)據(jù)信息，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)海洋環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比對(duì)表明，水文氣象綜合采集器的測(cè)量值誤差均小于0．1％，滿足海洋觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各觀測(cè)要素的測(cè)量精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需要，以高性能單片機(jī)C8051F120為核心器件研制了一種接口功能強(qiáng)大、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)芯片，支持有線／無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，配備液晶／鍵盤(pán)和日歷時(shí)鐘，可以通過(guò)太陽(yáng)能電池供電，可以長(zhǎng)期獨(dú)立工作在無(wú)人值守的觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；采用成熟的工業(yè)級(jí)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)；配備看門(mén)狗，在系統(tǒng)斷電、意外死機(jī)或程序跑飛等故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)重啟，保證軟件的穩(wěn)定運(yùn)行；通過(guò)修改配置文件，就可以實(shí)現(xiàn)水文和氣象采集器的互換使用；有線／無(wú)線通訊接口的設(shè)置擴(kuò)大了采集器的兼容性、弱化了現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，使其適用于海岸、島嶼、平臺(tái)、船舶等多類(lèi)監(jiān)測(cè)靖點(diǎn)。目前已經(jīng)有多套采集器在國(guó)家海洋局東海分局現(xiàn)場(chǎng)投入使用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，其安裝方便、使用靈活、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)管理簡(jiǎn)單，較好的完成了預(yù)期數(shù)據(jù)采集功能，具有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。