模块化多通道通用气象数据采集系统设计

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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。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。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。

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，由上位机进行显示、存盘等。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，测温电路如图2所示。测温时，AD7793的IOUT1引脚输出电流设置为1mA，IOUT1与通用接口的E通道相连，为PT100提供电流源。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）：

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。可用下式表示：

Vout=（1+Rtype/R）（3）

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。

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。

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。

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，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。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1min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，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。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。

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。

参考文献：

[1]张一波,行鸿彦,徐伟.模块化多通道通用气象数据采集系统设计[J].中国测试,2016,42(08):68-72.

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