基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器的設(shè)計(jì)

王建佳, 王 科, 楊志勇

(1.成都信息工程學(xué)院中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610225;2.中國華云技術(shù)開發(fā)公司,北京100081)

1 引言

數(shù)據(jù)采集器是自動(dòng)氣象站的核心,采集器從傳感器采集數(shù)據(jù),然后由內(nèi)部的微處理器按規(guī)定的算法進(jìn)行運(yùn)算處理和質(zhì)量控制,生成各氣象要素觀測(cè)值,再從規(guī)定的數(shù)據(jù)格式將觀測(cè)值存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi),并按規(guī)定響應(yīng)傳輸要求[1]。目前氣象業(yè)務(wù)上使用的數(shù)據(jù)采集器,存在著功耗高、體積大以及測(cè)量精度低等一系列問題。

針對(duì)以上問題,提出一種基于以太網(wǎng)的溫濕度智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。以智能化為中心,結(jié)合UCOS-II操作系統(tǒng),采用低功耗設(shè)計(jì)思想,以較低的成本、盡可能簡(jiǎn)單的電路,滿足自動(dòng)氣象站高精度和實(shí)時(shí)采集的需求。

2 高精度溫濕度智能傳感器的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 功能需求分析

溫濕度智能傳感器測(cè)量的溫度范圍為-50℃-80℃、精度0.1℃,分辨率0.1℃;測(cè)量的濕度在0-100%,當(dāng)濕度在0-90%時(shí)測(cè)量精度2%,當(dāng)濕度在90%-100%時(shí)測(cè)量精度3%,分辨率1%。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)功能需求分析,基于以太網(wǎng)的智能傳感器系統(tǒng)的示意圖如圖1所示,高精度智能傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

目前氣象業(yè)務(wù)上使用的數(shù)據(jù)采集器,通常是功耗很高,為適應(yīng)太陽能電池供電,低功耗特性的數(shù)據(jù)采集器尤為重要[2],智能傳感器系統(tǒng)正是采用低功耗設(shè)計(jì)思想,在有效地降低系統(tǒng)功耗。降低系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率表面上看是一種降低功耗的方法,但是當(dāng)系統(tǒng)包含有模擬電路的時(shí)候,這種方法的效果并不明顯。實(shí)踐證明：延長系統(tǒng)工作在待機(jī)模式下的時(shí)間才是降低總功耗最有效的方法。因此,系統(tǒng)中所有的工作必須設(shè)計(jì)為以突發(fā)形式快速地完成,以便系統(tǒng)能夠盡快返回到待機(jī)模式[3]。

智能傳感器系統(tǒng)的主要特色在于低功耗,高精度測(cè)量以及通信方式多樣化。為了實(shí)現(xiàn)低功耗,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用ARM CORTEX-M3架構(gòu)的LPC1768超低功耗單片機(jī)作為主控芯片,具有32位RISC結(jié)構(gòu),運(yùn)算能力強(qiáng),并具有豐富的片內(nèi)外設(shè),內(nèi)置了10/100M Ethernet MAC,集成了二路CAN通道,提供了一個(gè)完整的CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)方案,顯著地簡(jiǎn)化編程和調(diào)試的復(fù)雜度,具有非常廣闊的應(yīng)用范圍,非常適用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用[4-5];為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量,采用具低功耗(典型功耗為400 μ A)、高精度、16位、串行傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換芯片AD7792作為A/D轉(zhuǎn)換芯片,有兩個(gè)高精度的可編程恒流激勵(lì)源,內(nèi)置可編程儀表放大器、參考電壓源[6];為了實(shí)現(xiàn)通信方式多樣化,系統(tǒng)除了設(shè)計(jì)了RS232電路和RS485電路以外,還設(shè)計(jì)了以低功耗CMOS工藝、完全符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)的10Base-T/100Base-TX物理層收發(fā)器KSZ8041NL為核心的以太網(wǎng)PHY電路;為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運(yùn)行,設(shè)計(jì)了以MAX706為核心的看門狗電路;為了使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量,設(shè)計(jì)了以PCF8563為核心的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)電路;為了使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)測(cè)量及掉電時(shí)能夠保存數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了以MX25L1602為核心的FLASH電路和以AT24C16為核心的E2PROM電路。

圖2 基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖

3 智能傳感器的采集電路與以太網(wǎng)PHY電路的硬件設(shè)計(jì)

3.1 高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

眾所周知,數(shù)據(jù)采集電路對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)有非常重要的作用,在一定程度上,采集電路性能的好壞決定整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

(1)溫度測(cè)量

氣象業(yè)務(wù)上常用的測(cè)量氣溫的儀器主要有最高溫度表、最低溫度表、溫度計(jì)和鉑電阻溫度傳感器[7]。采用的溫度傳感器是芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP45D溫濕度傳感器,其測(cè)溫器件的實(shí)質(zhì)是PT100鉑電阻,是一種鉑電阻溫度傳感器,根據(jù)鉑電阻的電阻值隨溫度變化的原理來測(cè)定溫度[8],業(yè)務(wù)應(yīng)用中通過查PT100分度表的阻值獲得溫度值。采用四線制的PT100從硬件上消除引線電阻的影響,得到更高的測(cè)量精度。高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路的原理圖如圖3所示。

若只使用一路激勵(lì)電流,引線電阻將產(chǎn)生誤差,由于有漏電流流經(jīng) RL2,RL3,將會(huì)在AIN1(+)引腳和AIN2(-)引腳之間產(chǎn)生電壓誤差。第2個(gè)激勵(lì)電流用于補(bǔ)償因漏電流產(chǎn)生的誤差。四線制鉑電阻與AD7792連接圖如圖4所示。

配置AD7792的內(nèi)部2個(gè)電流源分別連接到引腳IOU1,IOU2,并均設(shè)置為1mA的輸出電流(假設(shè)IOU1與IOU2匹配),即圖3中的 I1,I4均為1mA,假設(shè)RL1,RL2,RL3,RL4分別為四線制PT100的4個(gè)引線電阻,并設(shè)長度與材料均相同。設(shè)AD測(cè)量通道AIN1(+),AIN1(-)實(shí)際輸入的電壓為 Uab,假設(shè)同一AD各個(gè)通道的輸入阻抗相同,即I2=I3,因此,據(jù)圖3有關(guān)系式：

將一個(gè)100Ω,0.1%精度,1ppm溫漂的標(biāo)準(zhǔn)電阻連接至REF IN(+)與REF IN(-)之間,利用2個(gè)激勵(lì)電流源流過該標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生的電壓差Uref,作為ADC的參考電壓,因此有：

由(1)式可知：方案設(shè)計(jì)的測(cè)量電路可以確保模擬電壓輸入范圍根據(jù)基準(zhǔn)電壓呈比例變化,且比值與ADC激勵(lì)電流的值無關(guān),這就可以排除因ADC激勵(lì)電流的偏差帶來的影響。基準(zhǔn)電壓的變化可以補(bǔ)償任何因激勵(lì)電流的溫飄而導(dǎo)致的模擬輸入電壓誤差。

圖3 高精度溫濕度數(shù)據(jù)采集電路

(2)濕度測(cè)量

氣象業(yè)務(wù)上常用的濕度傳感器是芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的HMP45D濕度傳感器[9],該傳感器輸出0-1V的電壓信號(hào),因此使用 AD7792內(nèi)部的1.17V參考電壓(既簡(jiǎn)化了外圍電路,又避免了因增加外部參考電壓而帶來的噪聲影響),經(jīng)圖2中的濕度調(diào)理電路,輸入AD7792的第二測(cè)量通道。

3.2 以太網(wǎng)PHY電路設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感系統(tǒng)通過一個(gè)集線器連接系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn),各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過RJ45接口電路與以太網(wǎng)連接。設(shè)計(jì)的溫濕度智能傳感器既能與目前氣象業(yè)務(wù)上的主采集器通過以太網(wǎng)組網(wǎng)通信,又能脫離主采集器單獨(dú)使用,與各智能傳感器自由組網(wǎng)通信,具有靈活、通用的特性。

LPC1700系列CORTEX-M3的以太網(wǎng)模塊使用RMII(簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口)協(xié)議和片上MIIM(媒體獨(dú)立接口管理)串行總線、還有MDIO(管理數(shù)據(jù)輸入/輸出)來實(shí)現(xiàn)與片外以太網(wǎng)PHY之間的連接[10],這使得KSZ8041NL成為與LPC1768配合實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)方案的最優(yōu)方案之一。以太網(wǎng)PHY電路原理圖如圖5所示。

圖4 四線制鉑電阻與AD7792連接圖

4 基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器軟件設(shè)計(jì)

基于以太網(wǎng)的高精度溫濕度智能傳感器軟件系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是在UCOS-II操作系統(tǒng)下進(jìn)行的任務(wù)調(diào)度,其的主要任務(wù)是：

圖5 以太網(wǎng)PHY電路設(shè)計(jì)

(1)配合硬件電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和處理;

(2)配合硬件電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的自檢和狀態(tài)指示;

(3)通過以太網(wǎng)和RS485、RS232總線實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)氣象站主采集器的數(shù)據(jù)通信;

(4)通過以太網(wǎng)和RS232實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。

圖6 主程序流程圖

主程序流程圖如圖6所示。主程序主要由5個(gè)任務(wù)組成：RS232/RS485通信命令、以太網(wǎng)通信任務(wù)、采集任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及監(jiān)控/命令處理任務(wù)組成。RS232/RS485通信命令和以太網(wǎng)通信任務(wù)主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)或是主采集器通信,包括規(guī)定時(shí)間上傳以及接收命令等。監(jiān)控/命令處理任務(wù)負(fù)責(zé)處理來自上位機(jī)或主采集器的命令以及監(jiān)控其它4個(gè)任務(wù)是否正常運(yùn)行。采集任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象傳感器的實(shí)時(shí)采集,并將采集后的數(shù)據(jù)交付給數(shù)據(jù)處理任務(wù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要是對(duì)各種數(shù)據(jù)的整合、算法處理以及存儲(chǔ)等。

移植的TCP/IP協(xié)議棧是ZLG/IP,提供實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP節(jié)點(diǎn)功能,是高性能的嵌入式ICP/IP協(xié)議棧軟件。使用UC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)一個(gè)多任務(wù)并行并可重入的協(xié)議棧,可以像UC/OS-II那樣支持多種CPU,此外,還具有層次清晰,易于升級(jí)和修改等特點(diǎn)。ZLG/IP結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 ZLG/IP結(jié)構(gòu)框圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù),結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)分析,得到的溫度誤差曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,提出設(shè)計(jì)方案合理可行,在測(cè)量范圍-50℃-80℃,無任何軟件溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下,絕對(duì)測(cè)量誤差全部在0.060C內(nèi),完全符合第二代氣象站功能規(guī)格書及地面氣象觀測(cè)規(guī)范中所要求的指標(biāo)。智能傳感器系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)完善,工作穩(wěn)定可靠,并且測(cè)量精度高,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖8 溫度誤差曲線圖

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