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(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型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類，并分類進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用；該方式人為將其分得過細(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，其提供有線和無線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺(tái)、船舶等多類站點(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?，F(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，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示和鍵盤操作等控制功能。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)聽上位機(jī)指令，并通過有線或無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)了液晶和鍵盤模塊，用來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)期工作在無人看守的場(chǎng)合，為此需要設(shè)計(jì)硬件看門狗模塊，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／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(shí)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(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能電池供電。交流電源通過工業(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有線或無線通訊方式接入專網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，上位機(jī)通過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
    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／無線數(shù)據(jù)傳輸，配備液晶／鍵盤和日歷時(shí)鐘，可以通過太陽能電池供電，可以長(zhǎng)期獨(dú)立工作在無人值守的觀測(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。