自动气象站数据采集设备硬件仿真平台设计与实现

赵建凯，重阳，安学武，张晨阳

（内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特 010100）

随着我国气象事业的蓬勃发展，自动气象站点数量越来越大，自动气象站的技术保障任务越来越重，特别是综合气象观测取得ISO9001 认证以来，对台站技术人员的业务能力提出了更高的要求，但迫于台站备件数量较少的现状，保障技术人员的日常训练与学习都没有实际操作的条件，保障能力很难进步，从而影响气象数据的观测。

受制于气象探测设备价格昂贵的现状，台站和地市级气象部门专门购买设备作为训练平台不仅在资金上存在较大的浪费，而且由于灵活性差的原因也难以达到最好的培训学习效果。此外，台站技术人员在故障排查中经常会出现无法根据电参数确定故障点的情况，缺乏标准信号比对平台及测试测量、故障排查的演练平台。

目前，在工业现场控制、电子电路设计、航空航天等领域均有模拟真实设备运行而建立的实验仿真平台，但在气象装备方面仍没有成型且业务化应用的仿真平台设备，所以有必要开发一套在结构与电气特点方面与业务设备相同，能够代表业务自动气象站数据采集设备电参数及功能特点，且适用于实操培训及故障排查演练的硬件仿真平台。

1 总体设计与结构

硬件仿真平台由仿真主采集器、仿真气温多传感器标准控制器、仿真雨量多传感器标准控制器和机箱结构组成。在外形结构上，所有设备均安装于操作台架之上，仿真平台面板结构如图1 所示，左侧区域挂载常用气象要素传感器或仿真传感器模块，支持四线制PT100 温度传感器[1]、湿度传感器、风向风速传感器、翻斗雨量传感器及蒸发传感器；中间区域挂载仿真采集设备及仿真机箱部件；右侧区域挂载显示屏及常规接口等人机交互设备。

图1 仿真平台面板结构

仿真气温多传感器标准控制器、仿真雨量多传感器标准控制器通过CAN 总线连接于机箱结构接线端口，最终与仿真主采集器CAN 总线端口相连[2]，各要素传感器可通过对应连接线缆连接到机箱结构对应接口，最终连接于仿真主采集器对应要素的数据采集端口。

2 硬件结构设计

仿真采集设备电路设计时，将内部电路结构分为主板和接口板两部分，接口板采用一体化设计，通过选择性的元器件焊接，可同时兼容DZZ6、DZZ5、DZZ4 型自动气象站数据采集系统。接口板通过FFC/FPC 排线与主板进行连接，最大程度缩小设备体积，电源电路布设在接口板上，通过排线为主板提供不同等级的工作电压。

仿真采集设备主板电路结构如图2 所示。主板采用多功能复用设计，布设各气象要素传感器的信号采集与调理电路、MCU 最小系统电路模块及数据存储模块等，具备各要素传感器的数据采集与通信功能。通过更换接口板，刷写固件程序，即可仿真多种型号的采集设备。

图2 仿真采集设备电路主板结构

仿真采集设备外壳采用统一规格标准的铝合金外盒制作。

2.1 电源电路

仿真采集设备工作电压为12 V 直流电压，设备内部电路模块工作电压等级涉及5 V 与3.3 V 直流电压。电源模块采用宽输入电压DC-DC 模块K7805-500R3 与K7803-500R3 实现，其输入电压范围覆盖6.5～36 V，能够最大程度降低使用者供电错误导致的设备损毁故障。电路原理图如图3 所示，外部供电首先经过TVS 二极管D1，以及可恢复保险丝FU 实现端口保护，避免内部电路被导线引入的电压尖峰或接入错误电压等级的电源损坏，其次通过在K7803/5 模块前后增加必要的滤波及去耦电容实现稳定的3.3 V 与5 V 电源供应[3-4]。

图3 电源模块电路原理图

2.2 数字信号电路处理

仿真平台采集设备具有常规要素的数据采集功能，其中常规气象要素中的翻斗雨量、风向、风速传感器为数字信号，在数字信号处理时，主要采用74HC14 作为信号处理芯片。74HC14 是一款兼容TTL 器件引脚的高速CMOS 器件，逻辑功能为六路斯密特触发反相器，其耗电量低、速度快，能够起到信号整形与缓存的作用[5-7]。

主板共使用两片74HC14 芯片，翻斗雨量传感器为通断信号，降水量每达到0.1 mm 输出一个通断信号，信号经74HC14 输入到STM32 的外部中断引脚进行检测，通过计算分钟内通断信号次数并统计，完成降水量数据采集，使用一路信号线；风向传感器为七位格雷码信号，风向标转动一周输出128 个角度值，信号经MCU 采集后，首先完成格雷码与BCD 码的转换，其次经过计算得出实时风向数值，共使用七路信号线；风速传感器为5 V 频率信号，MCU 完成频率采集后，依据各型号风速传感器的转换公式完成实时数据计算，需要一路信号线[8-10]。电路如图4 所示。

图4 数字信号处理电路

2.3 模拟信号处理电路

仿真平台采集设备的模拟信号处理电路实现了以模拟信号方式输出的传感器信号处理。如图5 所示，该电路模块主要由三片CD4051 和一片AD7792组成。仿真采集器涉及到的模拟信号包括三路四线制温度传感器信号、一路湿度传感器信号、二路蒸发传感器信号。六路传感器信号通过模拟开关CD4051进行选通，分别送入AD7792 进行处理。

图5 模拟信号处理电路

AD7792 多路复用模数转换器为适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，其内置三个差分模拟输入的16 位/24 位Σ-Δ型ADC，内置了低噪声仪表放大器，及可编程激励电流源，该芯片可直接输入小信号进行测量，并通过SPI 端口与MCU 进行通信[11-12]。

四线制温度传感器数据采集时，首先通过AD7792 的IOUT1 端输出恒定电流作为激励，其次通过AIN1+与AIN1-端口对铂电阻温度传感器进行电压测量，从而计算出对应温度数据，其中R79为0.01%的高精度电阻，主要用来完成自检及标定。

湿度传感器信号为0～1 V 的直流电压，通过CD4051 选通后，使用AD7792 的AIN1 通道实现差分测量，依据转换公式计算得出相对湿度数据。

针对4～20 mA 电流输出形式的蒸发传感器，首先通过高精度电阻R34与R35完成I/V 转换，再经过选通以及AD7792 完成数据的采集与模数转换，从而通过测得的电压计算得出蒸发量数据。

在模拟信号处理电路模块工作中，MCU 处理器完成了CD4051 的选通控制及AD7792 的参数配置与数据读取。

2.4 主控单元

主控制芯片选用ARM Cortex-M3 内核的STM 32F103VET6，完成传感器信号的采集、外围电路控制、信号处理、数据计算、人机交互控制等。该芯片主频72 MHz，内部集成两个SPI，两个I2C，五个USART，一个CAN 通信控制器外设，另外具备128 kB闪存存储空间，20 kB RAM 存储空间。片上资源能够满足该设计的要求[13-15]。

2.5 RS232信号转换电路

仿真采集设备支持五路RS232 信号端口，TTL电平与RS232 电平的互转依靠MAX3232 芯片实现，该芯片每一片支持两路信号，仿真采集设备共使用三片MAX3232 芯片。五路RS232 端口分别为气压传感器、称重降水传感器、雪深传感器、能见度传感器数据采集端口及通信终端端口。

2.6 CAN总线通信电路

仿真平台主采集器与仿真雨量多传感器标准控制器、仿真气温多传感器标准控制器的通信采用CAN 总线方式实现。CAN 总线电路如图6所示，由主控制芯片STM32 内置的CAN 控制器及TJA1050 CAN收发器组成，TJA1050 是PCA82C250 和PCA82C251之后的第三代Philips 高速CAN 收发器，是目前广泛应用的CAN 总线通信收发器芯片[16]。

图6 CAN总线电路原理图

2.7 数据存储电路

硬件仿真平台采集设备在运行时，支持部分命令的参数设置，设置的参数需要保存在内部存储器中，以免重新上电后参数消失，同时为数据存储拓展预留空间，内部分别选用FRAM铁电存储器FM24CL64B与MRAM磁性随机存储器W25Q128FVSIG 作为存储芯片。该芯片通过I2C 总线与MCU 进行数据交互。

2.8 仿真机箱部件

仿真机箱部件是采集设备硬件仿真平台必不可少的部件，主要由仿真机箱接口面板、仿真防雷板、仿真采集设备安装区位、以及必要的连接线缆和底板构成。其中，底板及仿真机箱接口面板对应接线端子处均对接口线序和接线名称进行了标识，便于实训测试及记忆。仿真机箱部件整体安装于仿真平台上。

3 软件部分设计

固件程序采用C 语言在Keil MDK 工具中完成。实现电路模块的驱动、控制以及通信等。仿真采集设备支持业务采集设备所有命令，命令使用方法、通信参数均一致，区别在于仿真采集设备的命令具有汉字注释，能够解释命令功能、以及返回值意义、注意事项、参数意义等。固件程序设计流程如图7 所示。

图7 软件结构框图

系统上电后，首先依据预置参数对MCU 外设及AD7792 进行初始化，进入主程序运行。在主程序中首先依据串口中断标志，进入串口命令处理程序，该模块实现串口访问人机交互的相关命令处理。

其次进入传感器数据检测程序。在该程序块中完成所有传感器的数据检测及计算，同时通过CAN总线读取仿真气温多传感器标准控制器、仿真雨量多传感器标准控制器的检测数据，并存储。其中雨量数据以分钟数据及小时数据形式存储，风向风速数据以2 分钟平均和10 分钟平均方式存储，温度、湿度、气压、蒸发量数据以分钟数据形式存储。

4 系统测试

硬件仿真平台完成设计后进行整体测试，使用检定合格的标准器“HY-2000 自动气象站采集器校准仪”作为传感器信号源，分别与仿真采集设备和编号为300014043357 的DZZ5 型业务采集器连接，对两种采集设备的采集数据进行比对，结果如表1所示。

表1 采集数据比对结果

从表1 可以看出，各气象要素业务采集设备与仿真采集设备的三个校准点数据误差均较小，总体上业务采集设备精度略高于仿真采集设备。从采集设备的误差值来看，其数据采集精度完全满足作为培训实操、测试测量训练使用。

在命令交互方面，仿真采集设备共集成250 余条串口命令，并对所有命令及返回信息增加汉语注释，包括命令介绍、使用说明、命令字符意义解释等共计600 余条。

5 结束语

通过充分的前期调研和需求分析，从硬件角度研究并开发的自动气象站数据采集设备仿真平台，能够实现常规传感器的检测以及串口命令交互。仿真采集系统在实现业务设备命令交互仿真的基础上，针对实训需求进行定制，使用效果优于业务设备。可作为现有自动气象站设备技术保障培训方式的一种补充，以及故障排除的演练平台和传感器检测平台。

目前，该设备已在内蒙古自治区大气探测技术保障中心骨干培养及设备保障技术支持领域进行了应用，平台结构简单易于操作，基于培训实操、故障排除演练领域的应用需求，具有较强的推广应用前景。