安學(xué)武

摘 要：在氣象要素觀測及地面氣象探測設(shè)備維修保障過程中，經(jīng)常需要采集處理各類氣象傳感器輸出信號，而自動氣象站傳感器種類多樣，同類傳感器型號不同輸出信號也有差異，本文針對常用自動氣象站傳感器設(shè)計了一種能夠支持多型號，具有數(shù)據(jù)采集、智能處理的自動氣象站傳感器采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心處理器，信號測量的準(zhǔn)確度指標(biāo)達到較高水平。文章從該系統(tǒng)的研究背景、研究方法、功能特點，設(shè)計方案與原理等方面進行了敘述。

關(guān)鍵詞：氣象傳感器；信號采集；智能處理

中圖分類號：S16 文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190530064

引言

近年來，以自動氣象站為主的地面氣象探測設(shè)備向智能化、多型號方向發(fā)展，傳感器種類及型號均呈現(xiàn)增多的趨勢，不僅種類多樣，而且同類傳感器型號不同輸出信號也有差異。

在氣象要素觀測設(shè)備設(shè)計及地面氣象探測設(shè)備維修保障過程中，經(jīng)常需要采集處理各類氣象傳感器輸出信號，本文針對常用自動氣象站模擬信號輸出的傳感器設(shè)計了一種能夠支持多型號，具有數(shù)據(jù)采集、智能處理的自動氣象站模擬信號傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為核心處理器，信號測量的準(zhǔn)確度指標(biāo)達到較高水平。

本文所述系統(tǒng)實現(xiàn)了模擬信號輸出傳感器的采集測試，用于設(shè)計地面常規(guī)氣象要素探測設(shè)備，同時完成在用自動氣象站傳感器現(xiàn)場測試任務(wù)或備份自動氣象站傳感器離線測試任務(wù)。

本設(shè)計基于STM32微處理器開發(fā)，具有高性能、低功耗的特點。通過STM32系統(tǒng)自帶的庫函數(shù)開發(fā)嵌入式固件程序控制外圍功能電路實現(xiàn)信號通道控制、輸入信號采集、屏幕輸入輸出顯示控制等功能。

1 自動氣象站常用模擬信號輸出傳感器

按照電性能參數(shù)劃分，自動氣象站傳感器可分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器和智能傳感器3種類型。模擬信號輸出傳感器將感應(yīng)到的氣象要素值轉(zhuǎn)換成電阻、電容、電壓等模擬信號輸出，如空氣溫度、空氣濕度、蒸發(fā)傳感器。數(shù)字傳感器將感應(yīng)的被測氣象要素值轉(zhuǎn)換成脈沖或頻率等串行計數(shù)信號或并行數(shù)字電碼信號輸出，如風(fēng)向、風(fēng)速、雨量傳感器。智能傳感器是一種帶有微處理器的傳感器，具有一定的采集和處理功能，能直接輸出被測要素的采樣值或觀測值，如溫濕度智能傳感器和氣壓傳感器[1]。目前國內(nèi)使用的自動氣象站常用模擬信號輸出的傳感器如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括供電單元、接口單元，LCD顯示屏、主控單元、模擬信號測量單元、數(shù)字信號測量單元、智能信號讀取單元等構(gòu)成，系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 電源模塊

電源模塊在電子電路設(shè)計中占有重要的位置，整個產(chǎn)品設(shè)計是否能夠成功在很大程度上取決于電源設(shè)計是否穩(wěn)定。考慮本系統(tǒng)在室外的應(yīng)用需求，設(shè)計中使用了鋰離子電池及充放電控制電路[2]。充放電控制電路原理圖如圖2所示。

CN3704是PWM降壓模式鋰電池充電管理集成電路，具有獨立、自動管理對鋰電池充電功能。封裝外形及尺寸較小，所需外圍元器件少和使用簡單等優(yōu)點。具有恒流和恒壓充電模式，在恒壓充電模式，CN3704將電池電壓調(diào)制在16.8V，精度為±1%；在恒流充電模式，充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。對于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于11.2V時，CN3704用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對電池進行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻所設(shè)置的值時，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到16V時，自動開始新的充電周期。

在自動氣象站備份傳感器離線檢查測試過程中需要為傳感器提供激勵源，目前我國在用自動氣象站傳感器使用的電源一般為直流12V或直流5V。另外，系統(tǒng)核心處理板需要直流3.3V電源。輸出+12V電源電路原理圖如圖3。

TPS5430是一個高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器，集成了低阻抗N溝道MOSFET。其內(nèi)部集成了一個高性能的電壓誤差放大器，在瞬態(tài)條件下有嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度，具有欠壓鎖定功能，以防止輸入電壓達到5.5V時啟動；內(nèi)置慢啟動電路限制浪涌電流，電壓前饋電路改善瞬態(tài)響應(yīng)。其他功能還包括一個靈敏的高電平使能端、過電流保護和熱關(guān)機。

使用多片TPS5430用于提供不同的電源，可以通過調(diào)節(jié)TPS5430的VSE管腳電壓來達到改變輸出電壓的目的，也即合理設(shè)置R20、R21、R30的阻值就可以輸出+5V及+3.3V電源。

2.2 主控單元、顯示控制單元簡介

現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計一般應(yīng)用可程序控制的MCU作為核心單元，完成電路的邏輯控制。利用MCU豐富的片上資源及嵌入式程序開發(fā)快速完成產(chǎn)品設(shè)計并降低硬件開銷。一般微控制器的選擇根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)男吞?，本文所述設(shè)計中微控制器采用ARM Cortex-M3構(gòu)架芯片作為主控制器，所用型號為STM32F103VCT6，片上資源包括80個快速I/O，2個12位AD，7個定時器，9個通信接口，完全符合需求。本文中微控制器完成信號輸入通道選通控制、信號采集處理，TFT液晶顯示器顯示控制，按鍵輸入控制等功能。

顯示屏可以選擇LCD屏或LED屏，不同的顯示屏有不同的驅(qū)動方式，需要根據(jù)需要及核心處理器片上資源進行合理選擇。在智能設(shè)備中按鍵設(shè)計一般使用矩陣式鍵盤，需要根據(jù)功能劃分確定按鍵數(shù)量，按鍵數(shù)量的多少直接影響操作目錄的層數(shù)，一般按鍵數(shù)量越多操作目錄的層數(shù)越少，但按鍵太多不僅會增加硬件開銷，而且操作不便。本文中所述系統(tǒng)根據(jù)需求采用了3.2寸TFT液晶顯示器及4×5矩陣鍵盤。

2.3 傳感器模擬信號測量單元

目前國內(nèi)常用自動氣象站模擬信號輸出的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、使用直流電壓輸出的氣壓傳感器、使用直流電壓輸出的風(fēng)向傳感器、直流電流輸出的蒸發(fā)傳感器、輻射傳感器6種。按照復(fù)用電路設(shè)計原則，六路信號分時采用一片A/D轉(zhuǎn)換器，所以在前端需要信號選通控制單元[3]。模擬輸出信號轉(zhuǎn)換控制電路原理圖如圖4。

圖4中使用2片ADG408BRZ分別作為差分模擬信號的高端、低端選通控制，ADG408BRZ是一款單芯片CMOS模擬多路復(fù)用器，內(nèi)置8個單通道。AIN1～AIN6分別為溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、輻射、蒸發(fā)傳感器輸出信號，A0、A1、A2為二進制地址線用于將8路輸入之一切換至公共輸出D端。該器件的EN輸入為芯片使能端，用來使能或禁用器件，高電平有效，故在圖中接VCC高電平。兩路ADG408BRZ輸出信號經(jīng)整流濾波后接入數(shù)字可編程增益儀表放大器AD8253ARMZ進行信號放大，AD8253是具有低輸出噪聲、低失真特性，高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖4中AD8253管腳6接負(fù)電壓為透明增益模式，微控制器通過控制A1、A0電平高低可以根據(jù)需求程序設(shè)置實時信號的增益為1、10、100或1000。AD8253管腳7為信號輸出，輸出信號經(jīng)濾波后進入A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100輸入信號高端，ADS1100為全差分輸入、16位分辨率、有自校準(zhǔn)功能的精密A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號SDA為數(shù)字信號，接入微控制器I2C端口ADS1100的SCL為時鐘線。

在圖4模擬信號處理中可以發(fā)現(xiàn)還需要-12V，基準(zhǔn)5V（REF5V）電源，2種電源電路原理圖如圖5所示。

在模擬輸出信號采集處理過程中溫度傳感器和蒸發(fā)傳感器比較特殊，溫度傳感器為四線制鉑電阻，蒸發(fā)傳感器輸出一個小電流，都不能被A/D轉(zhuǎn)換器直接處理。按照四線制電阻測量原理，需要給傳感器提供一個恒流源，恒定電流流通傳感器后產(chǎn)生電壓降，同樣蒸發(fā)傳感器輸出的電流先輸入一個標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生電壓降，然后再通過信號處理系統(tǒng)進行采集。恒流源產(chǎn)生及蒸發(fā)信號處理電路原理圖如圖6，I-SOU為輸出的2mA恒流源。

3 固件軟件設(shè)計

本設(shè)計包涵了大規(guī)模的固件程序設(shè)計，用以完成LCD屏顯示控制、外圍功能電路控制、矩陣鍵盤掃描、采集數(shù)據(jù)的解算等。固件程序使用STM32自帶標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫、函數(shù)庫開發(fā)，具有開發(fā)速度快、易讀易維護的特點。開發(fā)過程中采用了模塊化設(shè)計，易于調(diào)試和功能擴展。

開機后系統(tǒng)首先進行初始化，包括硬件IO初始化配置、定時器初始化、LCD液晶初始化、鍵盤接口配置、默認(rèn)狀態(tài)設(shè)置及顯示等。自檢后進入默認(rèn)狀態(tài)并等待用戶的按鍵操作，用戶操作后系統(tǒng)進入用戶設(shè)置狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)測試

本文所述系統(tǒng)設(shè)計定型后經(jīng)過了系統(tǒng)的測試，主要測試了模擬信號采集的準(zhǔn)確度。使用的對比設(shè)備為吉時利2000型6位半數(shù)字萬用表，經(jīng)比對，采集系統(tǒng)與新型自動氣象站的指標(biāo)相符。

5 結(jié)束語

經(jīng)過設(shè)計、制作與測試，自動氣象站模擬信號傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運行，可以作為地面氣象探測設(shè)備的測試測量儀器，應(yīng)用于自動氣象站現(xiàn)場檢查測試業(yè)務(wù)。

參考文獻

[1] 劉一.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2] 劉延飛.現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[3] 遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計[M].彭軍.北京：科學(xué)出版社，2006.