基于DSP的高速公路氣象監(jiān)測研究

楊瑩　周曉旭　郭曉澎

[摘要]高速公路在我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的位置，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要基礎(chǔ)設(shè)施。氣候變化，特別是極端惡劣天氣給高速公路車輛行駛帶來安全隱患，既影響交通運(yùn)輸又威脅生命財(cái)產(chǎn)。道路氣象監(jiān)測是高速公路氣象預(yù)警、預(yù)報(bào)的重要依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。文章設(shè)計(jì)了一套基于DSP的高速公路氣象監(jiān)測系統(tǒng)，采集道路的溫度、濕度、能見度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等氣象因素，通過RS485/GPRS將數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)程智能交通管理系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]氣象監(jiān)測；高速公路；DSP；RS485/GPRS

[DOI]1013939/jcnkizgsc201537062

1引言

高速公路在我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的位置，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要基礎(chǔ)設(shè)施。氣候變化，特別是極端惡劣天氣給高速公路車輛行駛帶來安全隱患，既影響交通運(yùn)輸又影響生命財(cái)產(chǎn)。道路氣象監(jiān)測是高速公路氣象預(yù)警、預(yù)報(bào)的重要依據(jù)，對(duì)其研究具有重要意義[1-3]。

本文根據(jù)高速公路對(duì)氣象監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)了一套基于DSP的高速公路氣象監(jiān)測站，它以能見度（霧）及道面狀況（路面溫度、積液深度、冰百分比等）監(jiān)測為核心，同時(shí)測量氣象參數(shù)（溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓）。氣象監(jiān)測站通過監(jiān)測環(huán)境因素及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患，將數(shù)據(jù)信息傳送到高速公路氣象災(zāi)害預(yù)警中心站，為高速公路管理部門決策提供科學(xué)依據(jù)并將信息顯示到電子屏上，為運(yùn)行車輛提供實(shí)時(shí)氣象信息。

2系統(tǒng)架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

21系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)一套小型氣象監(jiān)測站，采用DSP采集能見度、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓強(qiáng)度等傳感器的信號(hào)，經(jīng)RS485/GPRS通信，可傳至千米以外的PC機(jī)，PC機(jī)端通過Labview編寫上位機(jī)程序接收和顯示數(shù)據(jù)，將氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)傳給高速公路氣象災(zāi)害預(yù)警中心站。

22系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

221傳感器選型

能見度與天氣現(xiàn)象測量選用芬蘭Vaisala公司的PWD22能見度與天氣現(xiàn)象傳感器。路面狀況主要是選用德國Lufft 公司的IRS31 被動(dòng)式路面狀況傳感器進(jìn)行降水量測量。風(fēng)速選擇JL-FS2的風(fēng)速傳感器；風(fēng)向選擇JL-FX2的風(fēng)向傳感器；溫濕度是環(huán)境檢測必備參數(shù)，選擇SHT11的輻照度傳感器；氣壓采用DP-102A空氣壓力傳感器。DSP采用56F8013，是一款低成本、高性能的16位處理器產(chǎn)品，內(nèi)部集成了多個(gè)外設(shè)模塊，可以完成串口通信、PWM輸出等多項(xiàng)功能，成本低廉、配置靈活、代碼執(zhí)行效率高，適用于多種自動(dòng)控制系統(tǒng)。

222硬件電路設(shè)計(jì)[4-5]

DSP應(yīng)用的最小系統(tǒng)是指能夠使DSP工作的最簡單電路設(shè)計(jì)。56F800系列DSP的最小系統(tǒng)一般包括：電源、上電復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口等。復(fù)位電路有上電復(fù)位電路，JTAG接口也會(huì)提供一個(gè)復(fù)位信號(hào)用于手動(dòng)復(fù)位。56F8013有內(nèi)部時(shí)鐘，所以不需要時(shí)鐘電路。JTAG接口用于上位機(jī)與目標(biāo)板之間相互傳輸數(shù)據(jù)和信息，通過JTAG接口可以將程序下載到DSP的程序存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)供電電壓為24V，DSP供電電壓為33V，用到的芯片的供電電壓為5V，所以先通過LM2576將24V電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓，再將5V電壓通過LM3940轉(zhuǎn)化為33V給最小系統(tǒng)供電。

所選擇的傳感器提供的是4～20mA電信號(hào)，將電流進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行電壓穩(wěn)幅處理限制在0～33V，將其輸入DSP的ADC模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了保證輸入模擬信號(hào)采樣的精度，必須使外圍ADC輸入調(diào)理電路的輸出阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ADC內(nèi)部的阻抗；為了避免對(duì)被采集信號(hào)的模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾，調(diào)理電路的輸入阻抗又需要非常大，采用的調(diào)理電路如圖1所示。

223軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)程序采用C語言開發(fā)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體上分為主程序和實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序兩大部分：主程序主要進(jìn)行初始化，在系統(tǒng)上電時(shí)執(zhí)行一次，主要進(jìn)行系統(tǒng)中各外設(shè)模塊及其寄存器的初始化配置、變量初始化賦值等工作；中斷程序主要通過AD進(jìn)行能見度、路面狀況、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓等氣象參數(shù)采集，采樣周期為100微秒，并通過RS485與上位機(jī)通信，通信時(shí)間為1秒一次。通過Labview編寫上位機(jī)軟件，將采集到的氣象數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，并在相應(yīng)上位機(jī)軟件界面顯示。

224PCB與實(shí)物

設(shè)計(jì)完原理圖后，根據(jù)需求對(duì)元器件進(jìn)行封裝、合理布線、焊接，制作PCB，完成的PCB，裝配好的氣象監(jiān)測站如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)測試

對(duì)氣象監(jiān)測站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，通過上位機(jī)觀察各氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過長時(shí)間測試，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定準(zhǔn)確，滿足高速公路對(duì)氣象數(shù)據(jù)的測量需求。

4結(jié)論

本文通過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，結(jié)合DSP的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，設(shè)計(jì)出一套能測試能見度、降水量、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓等氣象參數(shù)的氣象監(jiān)測站。通過實(shí)驗(yàn)測試，該氣象監(jiān)測站在測量范圍、分辨率和精度方面基本滿足高速公路對(duì)氣象數(shù)據(jù)的需求，并且功耗低、實(shí)時(shí)測量和抗干擾能力強(qiáng)。

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