多功能低功耗海洋數據采集器的設計

謝騰騰，黃少偉，張亞南，王芳輝

（1.中國石油大學 信息控制工程學院，山東 東營 257061；2.勝利油田勝利勘察設計研究院 山東 東營 257026）

國產海濱觀測站所采用的數據采集器大多與相應的海濱觀測站配套使用，當需要擴充海濱觀測站觀測功能，增加新的觀測要素傳感器時，不能直接進行升級，必須更換，從而造成重復建設和資源浪費[1]。根據這一情況，改進和完善數據采集器，對于提高海濱觀測站的擴展性和通用性具有重要意義，同時這也是國際上海濱觀測站在擴展觀測要素、提高系統開放性方面的趨勢之一。

在硬件上實現通用，只需要修改配置文件，就可以實現氣象和水文采集器的互換使用。這樣可以大大簡化系統維護工作，提高觀測效率。同時論文基于一種低功耗單片機的海洋數據采集器，采用RS232接口實時接受和發送數據，配有大容量存儲器，支持無線數據傳輸及日歷時鐘，可以長期獨立工作在無人值守的野外觀測記錄。論文還在開發時候考慮到海洋環境和產品開發成本，做到了防腐蝕、低功耗、低成本、太陽能供電。

1 系統整體功能設計

系統要分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進行采集。根據對各種要素的觀測要求選擇合適的傳感器，目前市面上的主流傳感器接口輸出信號有4～20 mA電流模擬信號、電壓模擬信號、脈沖信號、串口信號等。本設計根據所采集的數據種類和選用的傳感器接口類型，設計了3類信號接收端：脈沖信號，RS232串口信號，模擬信號。傳感器信號經信號調理電路傳輸至外擴A/D轉換電路，經A/D轉換后進入單片機。單片機對信號進行濾波、添加時間標簽等數據處理后，作為控制核心將數據存入FLASH存儲器，同時監聽上位機指令，準備將數據通過串口發送GPS模塊實現上位機通信并完成鍵盤設置和液晶顯示控制。采集器長期工作在無人看守狀態下，因此設計了程序故障后自動硬件復位模塊。系統總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案框圖Fig.1 Overall program of the system diagram

MCU模塊作為整個采集器的控制核心，主要完成信號的多路采集、軟件濾波、數據運算、上位機指令監聽、數據傳輸、數據存儲、液晶顯示和鍵盤等控制功能。

信號輸入模塊主要功能是：將分別對氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進行采集的信號進行調理后進MCU。

串行通信模塊實現上位機與下位機的相互通信，上位機可以通過發送指令選擇下位機工作在氣象或水文模式。上位機還可以通過指令修改下位機系統時間。

為了安裝和調試方便，系統設計了液晶和鍵盤模塊。該模塊用來完成采集器工作模式的選擇；系統時鐘的設定；水文或氣象參數的最大值和最小值的設定。

其他外設包括：看門狗模塊、FLASH存儲模塊和實時時鐘模塊。硬件看門狗模塊能夠使程序故障后自動恢復系統正常工作狀態。本設計要求數據存儲量大，因此使用擴展外部FLASH存儲模塊。數據傳輸格式要求，用時間來標記不同時刻的數據，因此采集器應有實時時鐘模塊。

采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場合，本設計用12 V太陽能電池供電。

2 系統硬件設計

根據系統整體功能，系統硬件包括：輸入信號接口模塊、單片機核心控制模塊、數據存儲模塊、時鐘模塊、看門狗模塊、串行通信模塊和電源模塊。

2.1 輸入信號接口設計

采集器接收從風速風向傳感器和雨量傳感器傳來的兩路脈沖信號包括：0～1 kHz方波的風速頻率信號和降雨脈沖信號。兩路輸入信號進行信號調理電路，調理成可以進入單片機的0～3.3 V電壓信號進入MCU。采集器要接收從氣壓傳感器、濕溫傳感器和風向傳感器輸入的四路模擬信號。本設計A/D模塊使用外接16位的A/D轉換芯片MAX1168。四路模擬信號進入AD后轉換成數字量，經信號調理電路轉換成0～3.3 V電壓信號進入MCU。采集器將激光測距傳感器和溫鹽傳感器輸入的兩路RS232信號經過MXA232電平轉化后，進入外擴串口芯片ST16C554D，然后進入MCU。為防止高強度干擾損壞單片機，文中設計了光電隔離電路。輸入信號邏輯框圖如圖2所示。

2.2 單片機核心控制模塊

圖2 輸入信號邏輯框圖Fig.2 Logic diagram of the input signal

單片機核心控制模塊的設計主要包括C8051F020單片機的最小系統、鍵盤及液晶顯示電路的設計。C8051F系列單片機是Silicone Laboratories公司生產的低功耗混合信號片上系統型MCU，精簡指令集結構，大多數指令可以在一個時鐘周期內完成[2]。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且轉換峰值可達100ksps、64個I/O端口。因此選用C8051F120作為整個采集器的控制核心[3－4]。為了方便野外安裝、調試設備，設計了鍵盤和液晶顯示模塊。液晶顯示模塊選擇OCM12864－8，與單片機連接只需5根數據線，操作方便，內置字庫，可以輕松顯示中文、圖畫、數字、英文等信息。

2.3 數據存儲接口設計

數據存儲時，每分鐘數據以一條記錄的形式存入文件。測量數據以ASCII字符存儲，各要素數據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。選擇的存儲芯片AT45DB041，采用8腳的SOIC封裝。AT45DB041是ATMEL公司的新型FLASH芯片，該芯片具有容量大、讀寫速度快、外圍電路少等諸多優點，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，因此在移動通信、便攜場合得到了廣泛的應用[5－6]。數據存儲接口邏輯如圖3所示。

圖3 數據存儲接口邏輯Fig.3 Data storage interface logic

2.4 時鐘和看門狗設計

數據傳輸格式要求，用時間來標記不同時刻的數據，因此采集器應有實時時鐘設計。本設計使用的是DS1305實時時鐘芯片，該芯片以SPI總線形式與單片機相連。

采集器要長時間工作在無人看守狀態下，因此設計要求系統必須有程序故障后自動恢復系統正常工作狀態。外擴專門看門狗芯片X5043，X5043是INTERSIL公司生產的都有上電復位、高電壓復位控制、可編程看門狗定時器、4Kbit3－WIRE接口非易失性EEPROM、僅有8個引腳的封裝。工作過程中，微處理器或外設失效，導致系統“鎖死”或者“跑飛”，看門狗定時周期到X5043激活RESET引腳，停止了微控制器的工作，過200 ms后再次啟動單片機工作[7]。

數據存儲模塊、時鐘模塊、看門狗模塊都是以SPI總線形式與單片機進行通信，節省了單片機管腳資源。

2.5 電源模塊設計

因為本設計供電方式為太陽能供電，太陽能供電電池成本較高，每瓦15元左右。為降低設備后繼成本，電池的壽命問題決定用B1203LS轉3.3 V。B1203LS優點是非線性變壓、轉化效率高達80%、功耗低。設計完整后經過測量，系統工作供電壓12 V時電流為80 mA，功率為0.96W[8]。

3 軟件設計

本設計中，系統軟件是采用由頂往下和模塊化設計思想。系統軟件設計以中斷方式為主，以查詢方式為輔。用中斷來接收采集數據[9]和上位機命令，用查詢方式對數據進行存儲。系統上電后先初始化各個模塊，然后啟動硬件看門狗，接下來是等待定時器中斷產生采集數據和等待上位機命令，并且查詢一分鐘時間是否到。如果一分鐘時間到處理存儲采集的數據。在程序中要進行多次喂狗，防止非是故原因看系統復位。根據設計每個要求，把系統的硬件資源盡可能最優的軟件實現。設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Software designing flow diagram

4 數據測試

分別對模擬信號0 V、2.5 V和5 V數據點進行數據測試，每個數據點測50次求算術平均值并保留3位小數，得測試表如表1。

表1 模擬量測試結果Tab.1 Test result of analog

分別對頻率信號100 Hz、500 Hz和1 000 Hz數據點進行數據測試，每個數據點測50次求算術平均值并保留3位小數，得測試表如表2所示。

表2 脈沖量測試結果Tab.2 Test result of pulse

根據測試數據，得出所有測量值誤差均不足0.1%，達到了各觀測要素的一級要求，完全符合設計要求。

5 結束語

文中對數據采集器的設計提出了詳細的硬件設計和軟件設計方案，采用單片機技術、傳感器技術、程序存儲技術、串口通信技術，完成了氣象參數的定時采集、分塊存儲、實時顯示和串口傳輸。經測試證明軟硬件均切實可行，測試的數據在誤差允許范圍內。本設計可投入實際應用，達到了預期設計目標，對以后類似研究和系統改進具有一定的參考作用。

[1]高太長，劉西川，劉磊，等.自動氣象站及氣象傳感器發展現狀和前景分析[J].儀器儀表學報，2009（29）:127-133.GAO Tai-zhang，LIU Xi-chuan，LIU Lei，et al.Analysis of development status and prospects of automatic weather stations and meteorological sensors[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2009（29）:127-133.

[2]GBT 14914-200，海濱觀測規范[S].2006.

[3]鮑可進.C8051F微控制器原理及應用[M].北京:中國電力出版社，2006.

[4]張亞南，劉潤華，游永智.基于C8051F930的管道溫度壓力遠程監測系統[J].電子設計工程，2010，18（10）:83-86.ZHANG Ya-nan，LIU Run-hua，YOU Yong-zhi.Remote pipeline temperature and pressure monitoring system based on C8051F930[J].Electronic Design Engineering，2010，18（10）：83-86.

[5]潘琢金.混合信號ISP FLASH微控制器[M].新華龍電子有限公司，2004.

[6]張杏珍，孫健.IC卡芯片AT45DB041的原理及應用[J].現代電子技術學報，2005（10）:17-18.ZHANGXing-zhen，SUNJian.ICcard chip the AT45DB041 the principle and application[J].Modern Electronics Technique，2005（10）:17-18.

[7]楊桂芹，嚴天峰.單片機應用技術講座（19）第十五講 看門狗及其軟硬件實現方法[J].電子世界，2003（7）:33-35.YANG Gui-qin，YAN Tian-feng.Lecture 15 Watchdog and its hardware and software implementation.SCM application of technical seminars （19）[J].Electronics World，2003（7）:33-35.

[8]Greene JD，Gross A C.Nonlinear modeling of transformers[J].IEEE Transactions On Industry Applications，1988，24 （3）:433-436.

[9]趙陽.數據中心節能降耗實施途徑探討 [J].陜西電力，2011（2）：80-83.ZHAOYang.Probe into energy saving measures in data ceter[J].Shaanxi Electric Power，2011（2）：80-83.