多功能低功耗海洋数据采集器的设计

谢腾腾，黄少伟，张亚南，王芳辉

（1.中国石油大学 信息控制工程学院，山东 东营 257061；2.胜利油田胜利勘察设计研究院 山东 东营 257026）

国产海滨观测站所采用的数据采集器大多与相应的海滨观测站配套使用，当需要扩充海滨观测站观测功能，增加新的观测要素传感器时，不能直接进行升级，必须更换，从而造成重复建设和资源浪费[1]。根据这一情况，改进和完善数据采集器，对于提高海滨观测站的扩展性和通用性具有重要意义，同时这也是国际上海滨观测站在扩展观测要素、提高系统开放性方面的趋势之一。

在硬件上实现通用，只需要修改配置文件，就可以实现气象和水文采集器的互换使用。这样可以大大简化系统维护工作，提高观测效率。同时论文基于一种低功耗单片机的海洋数据采集器，采用RS232接口实时接受和发送数据，配有大容量存储器，支持无线数据传输及日历时钟，可以长期独立工作在无人值守的野外观测记录。论文还在开发时候考虑到海洋环境和产品开发成本，做到了防腐蚀、低功耗、低成本、太阳能供电。

1 系统整体功能设计

系统要分别对气压、气温、湿度、降水、风速、风向等气象要素和潮汐、水温、盐度等水文要素进行采集。根据对各种要素的观测要求选择合适的传感器，目前市面上的主流传感器接口输出信号有4～20 mA电流模拟信号、电压模拟信号、脉冲信号、串口信号等。本设计根据所采集的数据种类和选用的传感器接口类型，设计了3类信号接收端：脉冲信号，RS232串口信号，模拟信号。传感器信号经信号调理电路传输至外扩A/D转换电路，经A/D转换后进入单片机。单片机对信号进行滤波、添加时间标签等数据处理后，作为控制核心将数据存入FLASH存储器，同时监听上位机指令，准备将数据通过串口发送GPS模块实现上位机通信并完成键盘设置和液晶显示控制。采集器长期工作在无人看守状态下，因此设计了程序故障后自动硬件复位模块。系统总体方案框图如图1所示。

图1 系统总体方案框图Fig.1 Overall program of the system diagram

MCU模块作为整个采集器的控制核心，主要完成信号的多路采集、软件滤波、数据运算、上位机指令监听、数据传输、数据存储、液晶显示和键盘等控制功能。

信号输入模块主要功能是：将分别对气压、气温、湿度、降水、风速、风向等气象要素和潮汐、水温、盐度等水文要素进行采集的信号进行调理后进MCU。

串行通信模块实现上位机与下位机的相互通信，上位机可以通过发送指令选择下位机工作在气象或水文模式。上位机还可以通过指令修改下位机系统时间。

为了安装和调试方便，系统设计了液晶和键盘模块。该模块用来完成采集器工作模式的选择；系统时钟的设定；水文或气象参数的最大值和最小值的设定。

其他外设包括：看门狗模块、FLASH存储模块和实时时钟模块。硬件看门狗模块能够使程序故障后自动恢复系统正常工作状态。本设计要求数据存储量大，因此使用扩展外部FLASH存储模块。数据传输格式要求，用时间来标记不同时刻的数据，因此采集器应有实时时钟模块。

采集器有可能工作在没有交流电源的工作场合，本设计用12 V太阳能电池供电。

2 系统硬件设计

根据系统整体功能，系统硬件包括：输入信号接口模块、单片机核心控制模块、数据存储模块、时钟模块、看门狗模块、串行通信模块和电源模块。

2.1 输入信号接口设计

采集器接收从风速风向传感器和雨量传感器传来的两路脉冲信号包括：0～1 kHz方波的风速频率信号和降雨脉冲信号。两路输入信号进行信号调理电路，调理成可以进入单片机的0～3.3 V电压信号进入MCU。采集器要接收从气压传感器、湿温传感器和风向传感器输入的四路模拟信号。本设计A/D模块使用外接16位的A/D转换芯片MAX1168。四路模拟信号进入AD后转换成数字量，经信号调理电路转换成0～3.3 V电压信号进入MCU。采集器将激光测距传感器和温盐传感器输入的两路RS232信号经过MXA232电平转化后，进入外扩串口芯片ST16C554D，然后进入MCU。为防止高强度干扰损坏单片机，文中设计了光电隔离电路。输入信号逻辑框图如图2所示。

2.2 单片机核心控制模块

图2 输入信号逻辑框图Fig.2 Logic diagram of the input signal

单片机核心控制模块的设计主要包括C8051F020单片机的最小系统、键盘及液晶显示电路的设计。C8051F系列单片机是Silicone Laboratories公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU，精简指令集结构，大多数指令可以在一个时钟周期内完成[2]。C8051F120单片机具有100MIPS的处理峰值、128 kB的Flash存储器、8448B的RAM、可外接存储器、具有12位A/D且转换峰值可达100ksps、64个I/O端口。因此选用C8051F120作为整个采集器的控制核心[3－4]。为了方便野外安装、调试设备，设计了键盘和液晶显示模块。液晶显示模块选择OCM12864－8，与单片机连接只需5根数据线，操作方便，内置字库，可以轻松显示中文、图画、数字、英文等信息。

2.3 数据存储接口设计

数据存储时，每分钟数据以一条记录的形式存入文件。测量数据以ASCII字符存储，各要素数据按照读取配置文件时得到的要素顺序排列，并在记录前面加上采集时间。选择的存储芯片AT45DB041，采用8脚的SOIC封装。AT45DB041是ATMEL公司的新型FLASH芯片，该芯片具有容量大、读写速度快、外围电路少等诸多优点，更为重要的是该芯片可最低工作在2.5 V，工作电流仅为4 mA，因此在移动通信、便携场合得到了广泛的应用[5－6]。数据存储接口逻辑如图3所示。

图3 数据存储接口逻辑Fig.3 Data storage interface logic

2.4 时钟和看门狗设计

数据传输格式要求，用时间来标记不同时刻的数据，因此采集器应有实时时钟设计。本设计使用的是DS1305实时时钟芯片，该芯片以SPI总线形式与单片机相连。

采集器要长时间工作在无人看守状态下，因此设计要求系统必须有程序故障后自动恢复系统正常工作状态。外扩专门看门狗芯片X5043，X5043是INTERSIL公司生产的都有上电复位、高电压复位控制、可编程看门狗定时器、4Kbit3－WIRE接口非易失性EEPROM、仅有8个引脚的封装。工作过程中，微处理器或外设失效，导致系统“锁死”或者“跑飞”，看门狗定时周期到X5043激活RESET引脚，停止了微控制器的工作，过200 ms后再次启动单片机工作[7]。

数据存储模块、时钟模块、看门狗模块都是以SPI总线形式与单片机进行通信，节省了单片机管脚资源。

2.5 电源模块设计

因为本设计供电方式为太阳能供电，太阳能供电电池成本较高，每瓦15元左右。为降低设备后继成本，电池的寿命问题决定用B1203LS转3.3 V。B1203LS优点是非线性变压、转化效率高达80%、功耗低。设计完整后经过测量，系统工作供电压12 V时电流为80 mA，功率为0.96W[8]。

3 软件设计

本设计中，系统软件是采用由顶往下和模块化设计思想。系统软件设计以中断方式为主，以查询方式为辅。用中断来接收采集数据[9]和上位机命令，用查询方式对数据进行存储。系统上电后先初始化各个模块，然后启动硬件看门狗，接下来是等待定时器中断产生采集数据和等待上位机命令，并且查询一分钟时间是否到。如果一分钟时间到处理存储采集的数据。在程序中要进行多次喂狗，防止非是故原因看系统复位。根据设计每个要求，把系统的硬件资源尽可能最优的软件实现。设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程图Fig.4 Software designing flow diagram

4 数据测试

分别对模拟信号0 V、2.5 V和5 V数据点进行数据测试，每个数据点测50次求算术平均值并保留3位小数，得测试表如表1。

表1 模拟量测试结果Tab.1 Test result of analog

分别对频率信号100 Hz、500 Hz和1 000 Hz数据点进行数据测试，每个数据点测50次求算术平均值并保留3位小数，得测试表如表2所示。

表2 脉冲量测试结果Tab.2 Test result of pulse

根据测试数据，得出所有测量值误差均不足0.1%，达到了各观测要素的一级要求，完全符合设计要求。

5 结束语

文中对数据采集器的设计提出了详细的硬件设计和软件设计方案，采用单片机技术、传感器技术、程序存储技术、串口通信技术，完成了气象参数的定时采集、分块存储、实时显示和串口传输。经测试证明软硬件均切实可行，测试的数据在误差允许范围内。本设计可投入实际应用，达到了预期设计目标，对以后类似研究和系统改进具有一定的参考作用。

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