模块化多通道通用气象数据采集系统设计

张一波，行鸿彦，徐　伟

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，江苏 南京 210044）

模块化多通道通用气象数据采集系统设计

张一波1，2，行鸿彦1，2，徐伟1，2

（1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，江苏 南京 210044）

针对传统型气象数据采集系统存在扩展性和通用性较差的问题，根据不同气象传感器输出电信号的特征，提出模块化结构的多通道通用气象数据采集系统。系统采用低功耗单片机和CPLD架构，通过多路模拟开关，数字端口，内置增益可控信号放大电路和控制器，分别对气象传感器输出的模拟和数字信号进行采集和处理；可根据需求配置多路采集通道，采集数据可通过串口传送给上位机。利用高精度JJQ1气象信号模拟器和61/2位万用电表搭建实验平台对系统进行测试。数据表明，系统具有测量准确度高、通道可配置、扩展性强的特点，还可用于其他领域的多通道信号采集。

数据采集；模块化；多通道；气象传感器

0　引言

随着气象产业快速发展，人们对气象数据采集系统的成本、准确度、功耗等标准要求也越来越高；社会需求的增加，促使我国气象观测技术快速发展［1］。国外气象数据采集系统如DT80、DT85以及CR1000系列等具有良好的灵活性、自主性、兼容性。国内传统型气象数据采集系统虽然已经应用于自动气象站，但跟国外相比，依然存在着差距；比如系统拓展能力有限，采集接口无法通用，气象要素采集单一等。

利用MSP430F149和EPM570T100C5N设计一种高准确度、多通道、兼容性强的气象数据采集系统。将硬件电路各功能模块化；采集接口采用通用性设计，可以适合各种模拟信号输入。数字信号与模拟信号分别用EPM570T100C5N与MSP430F149采集；为降低系统功耗，将MSP430F149作为主控制器。

1　系统结构

系统通过处理气象传感器输出的电信号来完成温度、湿度、气压、雨量、辐射、蒸发、风速、风向的测量［2］。常用气象传感器输出信号类型、电信号和气象量之间的函数关系如表1所示。其中气压传感器PTB220输出信号既可以是电压形式，也可以是RS232或者RS485形式。

表1　气象传感器输出信号特征

图1　气象数据采集系统框图

对于模拟信号，通过信号调理电路、模拟开关和A/D转换电路处理，由MSP430F149单片机完成采集；数字信号经EPM570T100C5N采集后将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149进一步处理。气压传感器输出的RS232信号可以直接由MSP430F149采集。系统将处理后的气象数据通过显示模块实时显示，或通过串口将气象数据传送给上位机［3］，由上位机进行显示、存盘等［4］。工作方案如图1所示。

2　硬件电路设计

系统硬件电路包括模拟信号采集电路、数字信号采集电路、显示模块、通信接口电路。

2.1模拟信号采集电路

2.1.1模拟信号采集接口

每个模拟信号采集接口端有4个接线通道，分别为E、H、L、C。各通道功能为：

1）E通道提供触发源。

2）H通道和L通道是信号输入通道，可以采用差分输入，从而提高准确度。

3）C通道是接地通道。

采集接口适合电压、电流、电阻信号的输入。

2.1.2温度测量电路

温度传感器一般采用PT100，根据PT100阻值与温度变化成正比的关系，确定温度［5］，测温电路如图2所示。测温时，AD7793的IOUT1引脚输出电流设置为1 mA，IOUT1与通用接口的E通道相连，为PT100提供电流源［6］。电流通过R1与一个低温漂、高精度参考电阻R2。AD7793的测量通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）分别测量R1与R2两端的电压V1、V2；由于R1与R2两端电压已知，通过R1与R2的电流相同，根据式（1）：

可知PT100电阻值为

图2　 温度测量电路

2.1.3蒸发、湿度、辐射、气压的测量

蒸发传感器输出电流量，要进行I-V转换才可以完成测量；湿度、辐射、气压传感器输出电压量。在进行A/D转换之前要根据各传感器输出信号的特点，以及ADC参考电压范围，设计信号调理电路。

信号调理电路由集成单电源仪表放大器AD627［7］和轨道精密运算放大器TLV2461组成。

AD627采用单电源供电，根据传感器输出电压范围不同，只需改变AD627的1脚和8脚之间电阻R即可调节其增益［6］。可用下式表示：

式中：Vout——经过放大后的模拟信号电压；

Rtype——定值电阻。

轨道精密运算放大器TLV2461作为跟随器，可以尽量减小系统能耗，其输入失调电压也为微伏级。

图3是辐射传感器的信号测量与调理电路。其他模拟信号的测量与调理电路与图3相同。

图3　辐射传感器信号调理与测量电路

2.1.4A/D转换模块

气象数据采集系统A/D转换采用24位高准确度AD芯片AD7793［8］。

AD7793的通道1（AIN+，AIN-）、通道3（REFIN+，REFIN-）用于测量温度，通道2（AIN2+，AIN2-）用于测量其他模拟信号。各模拟信号由CD4051模拟开关控制分时A/D转换［9］。

2.2数字电路设计及气压、风速、风向、雨量的测量

自动气象站采用的气压传感器主要是VAISALA公司的PTB220［10］，测量范围为50～110kPa，除了具有模拟电压输出接口外，还具有RS232或者RS485数据输出接口［11］。通过RS232或者RS485接口电路就可以与PTB220通信，获取气压数据。

风速大小与风速传感器输出的脉冲信号频率成正比例，EPM570T100C5N对脉冲进行计数处理后，将数据发送至MSP430F149，由MSP430F149计算风速。

风向传感器输出7位格雷码，经过缓冲保护电路，送入EPM570T100C5N进行处理。

雨量传感器一般为翻斗式，翻斗翻转1次，输出1个脉冲信号。EPM570T100C5N在1 min内对雨量传感器信号计数，根据计数值与雨量换算公式确定雨量。

风速、风向、雨量的测量电路相同，均是先通过保护电路、74HC244缓冲器后由EPM570T100C5N进行处理。

2.3显示模块

显示模块采用TFTLCD显示屏。LCD_CS为TFTLCD的片选端，用于控制TFTLCD是否工作，LCD_WR与LCD_RD为TFTLCD的读写数据控制引脚。LCD_DB［1］～LCD_DB［16］为TFTLCD的16位双向数据线［12］，用于数据的传输显示。

2.4通信接口电路

根据系统数据传输的特点，选用RS232进行数据传输。RS232采用MAX3232集成电路驱动［13］。MSP430F149自带2个串行接口模块（USART），UART0 与PTB220进行通信，采集气压数据；UART1与上位机进行数据通信。

3　软件设计

3.1系统时序流程图

由于采集的信号分为模拟量和数字量，所以采集流程图分为模拟、数字两类。

3.2模拟信号采集流程图

蒸发传感器输出的是电流量，温度传感器输出的是电阻量；分别经过I-V和R-V转换才能进行A/D转换。模拟信号采集流程如图4所示。

3.3数字信号采集流程图

气压传感器除产生模拟信号外，还可以产生RS232信号，可直接用MSP430F149处理。数字量采集流程如图5所示。

图4　模拟量采集流程图

图5　数字量采集流程图

表2　系统测试数据

4　系统测试

为了便于分析数据，采用JJQ1气象信号模拟器进行系统测试。JJQ1气象信号模拟器能够根据实际需求模拟多种传感器的输出信号。通过设置JJQ1气象信号模拟器信号输出要素和特征值，完成系统数据采集。将设定值和系统测量值进行比对，检测系统的性能，测试结果如表2所示。

从表2可以看出，传感器输出的数字量信号（风速、风向、雨量、气压（RS232））测量误差为0；但是模拟量信号设定值和测量值存在误差，通过实验发现其主要原因是输出信号受环境中电磁场影响产生噪声。

5　结束语

基于MSP430F149与EPM570T100C5N处理器硬件平台，设计了模块化多通道通用气象数据采集系统；在保证准确度前提下，解决了自动气象站数据采集系统兼容性与扩展性差、采集要素单一的问题。系统能够准确采集气象传感器信号，具有良好的通用性与稳定性。

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（编辑：徐柳）

The design of modular multi-channel general meteorological data acquisition system

ZHANG Yibo1，2，XING Hongyan1，2，XU Wei1，2
（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Technology and Engineering Center of Meteorological Sensing Network，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China）

In order to improve the poor expansibility and versatility in the traditional meteorological data acquisition system，a modular multi-channel general meteorological data acquisition system based on the characteristics of different meteorological sensors was designed.The system which used the ultralow-power MCU and CPLD could collect and process the analog and digital signals ofmeteorologicalsensorsthroughmultiplexer，digitalport，built-ingain-controlledsignal amplification circuit and controller.Furthermore，according to the actual requirements，the system could configure the multi-channel of data acquisition as well as send the data to the host computer via a serial port.In addition，the JJQ1 signal simulator and 61/2-bit multimeter were used to test the system.The results show that the system has the advantages of high measure precision，configurable channels and good expansibility.Meanwhile，it can be also applied to other areas of multi-channel signal acquisition.

data acquisition；modularization；multi-channel；meteorological sensor

A

1674-5124（2016）08-0068-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.014

2015-09-28；

2015-11-13

国家自然科学基金项目（61671248）；江苏省产学研联合创新资金计划项目（BY2013007-02）；江苏省高校自然科学研究重大项目（15KJA460008）

张一波（1992-），男，江苏东海县人，硕士研究生，专业方向为信号处理与气象仪器。