自動氣象站數據采集設備硬件仿真平臺設計與實現

趙建凱，重陽，安學武，張晨陽

（內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，內蒙古呼和浩特 010100）

隨著我國氣象事業的蓬勃發展，自動氣象站點數量越來越大，自動氣象站的技術保障任務越來越重，特別是綜合氣象觀測取得ISO9001 認證以來，對臺站技術人員的業務能力提出了更高的要求，但迫于臺站備件數量較少的現狀，保障技術人員的日常訓練與學習都沒有實際操作的條件，保障能力很難進步，從而影響氣象數據的觀測。

受制于氣象探測設備價格昂貴的現狀，臺站和地市級氣象部門專門購買設備作為訓練平臺不僅在資金上存在較大的浪費，而且由于靈活性差的原因也難以達到最好的培訓學習效果。此外，臺站技術人員在故障排查中經常會出現無法根據電參數確定故障點的情況，缺乏標準信號比對平臺及測試測量、故障排查的演練平臺。

目前，在工業現場控制、電子電路設計、航空航天等領域均有模擬真實設備運行而建立的實驗仿真平臺，但在氣象裝備方面仍沒有成型且業務化應用的仿真平臺設備，所以有必要開發一套在結構與電氣特點方面與業務設備相同，能夠代表業務自動氣象站數據采集設備電參數及功能特點，且適用于實操培訓及故障排查演練的硬件仿真平臺。

1 總體設計與結構

硬件仿真平臺由仿真主采集器、仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器和機箱結構組成。在外形結構上，所有設備均安裝于操作臺架之上，仿真平臺面板結構如圖1 所示，左側區域掛載常用氣象要素傳感器或仿真傳感器模塊，支持四線制PT100 溫度傳感器[1]、濕度傳感器、風向風速傳感器、翻斗雨量傳感器及蒸發傳感器；中間區域掛載仿真采集設備及仿真機箱部件；右側區域掛載顯示屏及常規接口等人機交互設備。

圖1 仿真平臺面板結構

仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器通過CAN 總線連接于機箱結構接線端口，最終與仿真主采集器CAN 總線端口相連[2]，各要素傳感器可通過對應連接線纜連接到機箱結構對應接口，最終連接于仿真主采集器對應要素的數據采集端口。

2 硬件結構設計

仿真采集設備電路設計時，將內部電路結構分為主板和接口板兩部分，接口板采用一體化設計，通過選擇性的元器件焊接，可同時兼容DZZ6、DZZ5、DZZ4 型自動氣象站數據采集系統。接口板通過FFC/FPC 排線與主板進行連接，最大程度縮小設備體積，電源電路布設在接口板上，通過排線為主板提供不同等級的工作電壓。

仿真采集設備主板電路結構如圖2 所示。主板采用多功能復用設計，布設各氣象要素傳感器的信號采集與調理電路、MCU 最小系統電路模塊及數據存儲模塊等，具備各要素傳感器的數據采集與通信功能。通過更換接口板，刷寫固件程序，即可仿真多種型號的采集設備。

圖2 仿真采集設備電路主板結構

仿真采集設備外殼采用統一規格標準的鋁合金外盒制作。

2.1 電源電路

仿真采集設備工作電壓為12 V 直流電壓，設備內部電路模塊工作電壓等級涉及5 V 與3.3 V 直流電壓。電源模塊采用寬輸入電壓DC-DC 模塊K7805-500R3 與K7803-500R3 實現，其輸入電壓范圍覆蓋6.5～36 V，能夠最大程度降低使用者供電錯誤導致的設備損毀故障。電路原理圖如圖3 所示，外部供電首先經過TVS 二極管D1，以及可恢復保險絲FU 實現端口保護，避免內部電路被導線引入的電壓尖峰或接入錯誤電壓等級的電源損壞，其次通過在K7803/5 模塊前后增加必要的濾波及去耦電容實現穩定的3.3 V 與5 V 電源供應[3-4]。

圖3 電源模塊電路原理圖

2.2 數字信號電路處理

仿真平臺采集設備具有常規要素的數據采集功能，其中常規氣象要素中的翻斗雨量、風向、風速傳感器為數字信號，在數字信號處理時，主要采用74HC14 作為信號處理芯片。74HC14 是一款兼容TTL 器件引腳的高速CMOS 器件，邏輯功能為六路斯密特觸發反相器，其耗電量低、速度快，能夠起到信號整形與緩存的作用[5-7]。

主板共使用兩片74HC14 芯片，翻斗雨量傳感器為通斷信號，降水量每達到0.1 mm 輸出一個通斷信號，信號經74HC14 輸入到STM32 的外部中斷引腳進行檢測，通過計算分鐘內通斷信號次數并統計，完成降水量數據采集，使用一路信號線；風向傳感器為七位格雷碼信號，風向標轉動一周輸出128 個角度值，信號經MCU 采集后，首先完成格雷碼與BCD 碼的轉換，其次經過計算得出實時風向數值，共使用七路信號線；風速傳感器為5 V 頻率信號，MCU 完成頻率采集后，依據各型號風速傳感器的轉換公式完成實時數據計算，需要一路信號線[8-10]。電路如圖4 所示。

圖4 數字信號處理電路

2.3 模擬信號處理電路

仿真平臺采集設備的模擬信號處理電路實現了以模擬信號方式輸出的傳感器信號處理。如圖5 所示，該電路模塊主要由三片CD4051 和一片AD7792組成。仿真采集器涉及到的模擬信號包括三路四線制溫度傳感器信號、一路濕度傳感器信號、二路蒸發傳感器信號。六路傳感器信號通過模擬開關CD4051進行選通，分別送入AD7792 進行處理。

圖5 模擬信號處理電路

AD7792 多路復用模數轉換器為適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，其內置三個差分模擬輸入的16 位/24 位Σ-Δ型ADC，內置了低噪聲儀表放大器，及可編程激勵電流源，該芯片可直接輸入小信號進行測量，并通過SPI 端口與MCU 進行通信[11-12]。

四線制溫度傳感器數據采集時，首先通過AD7792 的IOUT1 端輸出恒定電流作為激勵，其次通過AIN1+與AIN1-端口對鉑電阻溫度傳感器進行電壓測量，從而計算出對應溫度數據，其中R79為0.01%的高精度電阻，主要用來完成自檢及標定。

濕度傳感器信號為0～1 V 的直流電壓，通過CD4051 選通后，使用AD7792 的AIN1 通道實現差分測量，依據轉換公式計算得出相對濕度數據。

針對4～20 mA 電流輸出形式的蒸發傳感器，首先通過高精度電阻R34與R35完成I/V 轉換，再經過選通以及AD7792 完成數據的采集與模數轉換，從而通過測得的電壓計算得出蒸發量數據。

在模擬信號處理電路模塊工作中，MCU 處理器完成了CD4051 的選通控制及AD7792 的參數配置與數據讀取。

2.4 主控單元

主控制芯片選用ARM Cortex-M3 內核的STM 32F103VET6，完成傳感器信號的采集、外圍電路控制、信號處理、數據計算、人機交互控制等。該芯片主頻72 MHz，內部集成兩個SPI，兩個I2C，五個USART，一個CAN 通信控制器外設，另外具備128 kB閃存存儲空間，20 kB RAM 存儲空間。片上資源能夠滿足該設計的要求[13-15]。

2.5 RS232信號轉換電路

仿真采集設備支持五路RS232 信號端口，TTL電平與RS232 電平的互轉依靠MAX3232 芯片實現，該芯片每一片支持兩路信號，仿真采集設備共使用三片MAX3232 芯片。五路RS232 端口分別為氣壓傳感器、稱重降水傳感器、雪深傳感器、能見度傳感器數據采集端口及通信終端端口。

2.6 CAN總線通信電路

仿真平臺主采集器與仿真雨量多傳感器標準控制器、仿真氣溫多傳感器標準控制器的通信采用CAN 總線方式實現。CAN 總線電路如圖6所示，由主控制芯片STM32 內置的CAN 控制器及TJA1050 CAN收發器組成，TJA1050 是PCA82C250 和PCA82C251之后的第三代Philips 高速CAN 收發器，是目前廣泛應用的CAN 總線通信收發器芯片[16]。

圖6 CAN總線電路原理圖

2.7 數據存儲電路

硬件仿真平臺采集設備在運行時，支持部分命令的參數設置，設置的參數需要保存在內部存儲器中，以免重新上電后參數消失，同時為數據存儲拓展預留空間，內部分別選用FRAM鐵電存儲器FM24CL64B與MRAM磁性隨機存儲器W25Q128FVSIG 作為存儲芯片。該芯片通過I2C 總線與MCU 進行數據交互。

2.8 仿真機箱部件

仿真機箱部件是采集設備硬件仿真平臺必不可少的部件，主要由仿真機箱接口面板、仿真防雷板、仿真采集設備安裝區位、以及必要的連接線纜和底板構成。其中，底板及仿真機箱接口面板對應接線端子處均對接口線序和接線名稱進行了標識，便于實訓測試及記憶。仿真機箱部件整體安裝于仿真平臺上。

3 軟件部分設計

固件程序采用C 語言在Keil MDK 工具中完成。實現電路模塊的驅動、控制以及通信等。仿真采集設備支持業務采集設備所有命令，命令使用方法、通信參數均一致，區別在于仿真采集設備的命令具有漢字注釋，能夠解釋命令功能、以及返回值意義、注意事項、參數意義等。固件程序設計流程如圖7 所示。

圖7 軟件結構框圖

系統上電后，首先依據預置參數對MCU 外設及AD7792 進行初始化，進入主程序運行。在主程序中首先依據串口中斷標志，進入串口命令處理程序，該模塊實現串口訪問人機交互的相關命令處理。

其次進入傳感器數據檢測程序。在該程序塊中完成所有傳感器的數據檢測及計算，同時通過CAN總線讀取仿真氣溫多傳感器標準控制器、仿真雨量多傳感器標準控制器的檢測數據，并存儲。其中雨量數據以分鐘數據及小時數據形式存儲，風向風速數據以2 分鐘平均和10 分鐘平均方式存儲，溫度、濕度、氣壓、蒸發量數據以分鐘數據形式存儲。

4 系統測試

硬件仿真平臺完成設計后進行整體測試，使用檢定合格的標準器“HY-2000 自動氣象站采集器校準儀”作為傳感器信號源，分別與仿真采集設備和編號為300014043357 的DZZ5 型業務采集器連接，對兩種采集設備的采集數據進行比對，結果如表1所示。

表1 采集數據比對結果

從表1 可以看出，各氣象要素業務采集設備與仿真采集設備的三個校準點數據誤差均較小，總體上業務采集設備精度略高于仿真采集設備。從采集設備的誤差值來看，其數據采集精度完全滿足作為培訓實操、測試測量訓練使用。

在命令交互方面，仿真采集設備共集成250 余條串口命令，并對所有命令及返回信息增加漢語注釋，包括命令介紹、使用說明、命令字符意義解釋等共計600 余條。

5 結束語

通過充分的前期調研和需求分析，從硬件角度研究并開發的自動氣象站數據采集設備仿真平臺，能夠實現常規傳感器的檢測以及串口命令交互。仿真采集系統在實現業務設備命令交互仿真的基礎上，針對實訓需求進行定制，使用效果優于業務設備。可作為現有自動氣象站設備技術保障培訓方式的一種補充，以及故障排除的演練平臺和傳感器檢測平臺。

目前，該設備已在內蒙古自治區大氣探測技術保障中心骨干培養及設備保障技術支持領域進行了應用，平臺結構簡單易于操作，基于培訓實操、故障排除演練領域的應用需求，具有較強的推廣應用前景。