基于DSP的小型氣象站的硬件設(shè)計(jì)

摘要: 針對(duì)大氣參數(shù)測(cè)量的要求與測(cè)量方法，結(jié)合DSP 的工作原理，研究了DSP 在大氣參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用。提出了一種測(cè)量大氣參數(shù)的設(shè)計(jì)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合DSP 開發(fā)調(diào)試環(huán)境，設(shè)計(jì)出能測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、大氣溫度、大氣濕度和大氣氣壓等大氣參數(shù)的小型氣象站。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在大氣參數(shù)的測(cè)量范圍、分辨率和精度方面基本滿足小型氣象站的要求。由于DSP 自身的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的小型氣象站還具有便攜性、功耗低、實(shí)時(shí)測(cè)量和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

0 引言

用來(lái)進(jìn)行大氣參數(shù)測(cè)量的小型氣象站廣泛應(yīng)用于氣象服務(wù)、大氣實(shí)驗(yàn)、通信和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，測(cè)量的大氣參數(shù)主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣濕度、大氣溫度和大氣壓力等。由于大氣參數(shù)的自身特點(diǎn)，使得小型氣象站在便于攜帶、實(shí)時(shí)測(cè)量、功耗和抗干擾能力等方面的有較高的要求。在數(shù)字信號(hào)處理器( digital signal processor，DSP) 出現(xiàn)之前，小型氣象站主要是以MCS—51 單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，面對(duì)大量的氣象數(shù)據(jù)，單片機(jī)數(shù)據(jù)快速處理能力的不足暴露了出來(lái)，而DSP 因?yàn)槠渥陨淼挠布Y(jié)構(gòu)使得它能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，彌補(bǔ)了單片機(jī)的不足?；贒SP 的小型氣象站是結(jié)合了DSP 的工作原理、大氣參數(shù)的測(cè)量方法和小型氣象站的自身特點(diǎn)而提出的一種新設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 氣象站工作原理和硬件框圖

進(jìn)行大氣參數(shù)測(cè)量的氣象站主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、DSP 系統(tǒng)和電源模塊4 部分組成，如圖1 所示。

由于所測(cè)的大氣參數(shù)都是非電量，而測(cè)量結(jié)果是建立在對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理得到，所以，在氣象站中針對(duì)每一個(gè)大氣參數(shù)都采用了相應(yīng)的傳感器進(jìn)行非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

傳感器的輸出因?yàn)槠涔ぷ髟聿煌煌疚母鶕?jù)實(shí)際選擇的傳感器設(shè)計(jì)了不同的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器的輸出有針對(duì)性的進(jìn)行濾波，I /V 變換，脈沖穩(wěn)幅和電壓放大等不同形式的調(diào)理，使得傳感器的輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路之后滿足DSP芯片上A / D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓的范圍或者I /O 端口的電平要求。

DSP 系統(tǒng)由DSP 芯片，DSP 外圍復(fù)位電路、振蕩電路、復(fù)位電路和串行通信口組成。DSP 系統(tǒng)主要進(jìn)行模擬量輸入通道選擇，A/D 轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理，對(duì)氣象站其他組成部分的控制以及和上位機(jī)進(jìn)行串行通信。

電源模塊為DSP 系統(tǒng)和氣象站其他組成部分提供穩(wěn)定的直流電壓。

2 傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

2．1 風(fēng)速傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

風(fēng)速反映了大氣的流動(dòng)程度，具有很大的隨機(jī)性。小型氣象站常用于測(cè)量近地面風(fēng)速，測(cè)量范圍為1～ 60 m/s，分辨率為0． 5 m/s，精度為± 5 %。根據(jù)風(fēng)速測(cè)量的特點(diǎn)和要求，本文選用了紅外光電開關(guān)式風(fēng)速傳感器和脈沖幅值穩(wěn)定調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成單位時(shí)間脈沖輸出個(gè)數(shù)的任務(wù)，原理圖如圖2 所示。

在距離風(fēng)輪中心為r 的位置刻有一個(gè)遮光塊，在風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)輪以中心軸線為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)輪每旋轉(zhuǎn)一周，遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測(cè)器所在的水平線上一次。當(dāng)遮光塊經(jīng)過(guò)紅外光源和紅外探測(cè)器所在的水平線時(shí)，紅外光源發(fā)出的光被遮光塊阻擋，不能照射在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器輸出一個(gè)脈沖電流，風(fēng)速v 與單位時(shí)間內(nèi)電流脈沖個(gè)數(shù)N 呈正比關(guān)系。

信號(hào)調(diào)理電路把紅外探測(cè)器輸出的微弱電流進(jìn)行放大后進(jìn)行I /V 變換，然后，再對(duì)電壓脈沖的幅值進(jìn)行穩(wěn)幅處理后送入DSP 系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2．2 風(fēng)向傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

在風(fēng)向測(cè)量中，采用了精密電位器式傳感器把風(fēng)向變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，電阻與風(fēng)向滿足正比例關(guān)系，然后，經(jīng)過(guò)直流四臂電橋轉(zhuǎn)換電路再把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，由于電壓比較小，所以，還需要利用放大電路放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的電壓范圍，然后，經(jīng)多路選擇器后進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)入DSP 系統(tǒng)。

風(fēng)向測(cè)量原理框圖如圖3 所示。

本設(shè)計(jì)選用了Met one 公司的020C 型電位器式風(fēng)向傳感器，該傳感器的測(cè)量范圍為0°～ 360°，精度為± 2°，分辨率為± 0． 2°。020C 型電位器式風(fēng)向傳感器有一個(gè)自重很輕的機(jī)翼形風(fēng)向標(biāo)，它直接和一個(gè)精密電位器相連，對(duì)應(yīng)于0°～ 360°的風(fēng)向，輸出電壓為0～ 5 V，經(jīng)電壓調(diào)理電路之后，可直接進(jìn)入DSP 系統(tǒng)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

2．3 溫濕度傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)選用了瑞士Rotronic 公司型號(hào)為HygroClip s 3的空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器內(nèi)部集成了鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器。溫度測(cè)量范圍為－ 40～60℃，精度為± 0． 3 ℃; 相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0 %～100 %RH，精度為± 1． 5 % RH，溫濕度傳感器采用+ 5 V 直流電源供電，在溫濕度測(cè)量范圍內(nèi)可以輸出0～ 1 V 的模擬電壓。溫濕度測(cè)量原理框圖如圖4 所示。

　2．4 大氣壓力傳感器與信號(hào)調(diào)理電路

在小型氣象站中，大氣壓力的測(cè)量范圍為800 ～1 080 hPa，分辨率為0． 1 hPa，精度為± 1． 0 hPa。本設(shè)計(jì)選用了電容式大氣壓力傳感器CS106 實(shí)現(xiàn)把大氣壓力轉(zhuǎn)換成電壓輸出。CS106 傳感器是Vaisala 公司的硅電容大氣壓力傳感器。大氣壓力測(cè)量原理框圖如圖5 所示。

3 DSP 系統(tǒng)

DSP 系統(tǒng)主要由DSP 芯片，按鍵電路、復(fù)位電路、晶振電路和串行通信電路組成。

3． 1 DSP 芯片選型

在氣象站中，DSP 的主要作用是數(shù)據(jù)采集、通道選擇和模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示及系統(tǒng)控制。本文根據(jù)應(yīng)用要求和DSP 芯片特點(diǎn)選用了美國(guó)TI 公司的型號(hào)為TMS320LF2402A 的DSP 芯片，該DSP 芯片采用了CMOS 工藝，供電電壓僅為3． 3 V，減小了系統(tǒng)功耗; 片內(nèi)有32 k 字的FLASH ROM，1 ． 5 k 字的RAM; 看門狗定時(shí)器; 8 通道的10位A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為375 ns; 2 個(gè)16 位通用定時(shí)器和串行通信接口等片上外圍電路。

3．2 電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路

DSP 系統(tǒng)電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路原理圖如圖6所示。

TMS320LF2402A 工作時(shí)的內(nèi)核電壓和I /O 緩沖器電壓都為3． 3 V，本設(shè)計(jì)采用了TI 公司的TPS7333 電路轉(zhuǎn)換芯片，把由電源模塊提供的5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3． 3 V。另外，結(jié)合TPS7333 具有的上電復(fù)位功能，設(shè)計(jì)了DSP 芯片的復(fù)位電路。設(shè)計(jì)了外部時(shí)鐘電路，采用頻率為20 MHz 的有源石英晶體振蕩器，結(jié)合內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行二倍頻之后為DSP芯片提供40 MHz 的時(shí)鐘信號(hào)。

3．3 串行通信接口電路

TMS320LF2402A 片內(nèi)有SCI 串行口，可以方便地與計(jì)算機(jī)上的RS—232 串行口連接進(jìn)行通信，把測(cè)量結(jié)果顯示在上位機(jī)上。由于PC 機(jī)的RS—232C 電平與DSP 的TTL 電平不一致，就必須在兩者之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。

本設(shè)計(jì)采用MAXIM 公司的MAX232 實(shí)現(xiàn)兩者間的轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖7 所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，制成了小型氣象站樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)之后的結(jié)果如表1 所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該小型氣象站基本滿足野外大氣實(shí)驗(yàn)大氣參數(shù)測(cè)量的要求。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)大氣參數(shù)的測(cè)量要求和測(cè)量方法，結(jié)合DSP 的工作原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型氣象站的硬件系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 該系統(tǒng)滿足大氣測(cè)量的基本要求，可以作為一個(gè)小型氣象站使用。