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基于DSP的小型氣象站的硬件設計
最近更新時間：2016-5-29
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基于DSP的小型氣象站的硬件設計
摘要: 針對大氣參數測量的要求與測量方法，結合DSP 的工作原理，研究了DSP 在大氣參數測量系統的應用。提出了一種測量大氣參數的設計，通過硬件設計和軟件設計，結合DSP 開發調試環境，設計出能測量風向、風速、大氣溫度、大氣濕度和大氣氣壓等大氣參數的小型氣象站。通過對設計的樣機進行測試，在大氣參數的測量范圍、分辨率和精度方面基本滿足小型氣象站的要求。由于DSP 自身的優點，使得設計的小型氣象站還具有便攜性、功耗低、實時測量和抗干擾能力強等特點。
關鍵詞: 大氣參數; 數字信號處理器; 氣象站
0 引言
用來進行大氣參數測量的小型氣象站廣泛應用于氣象服務、大氣實驗、通信和農業等領域，測量的大氣參數主要包括風速、風向、大氣濕度、大氣溫度和大氣壓力等。由于大氣參數的自身特點，使得小型氣象站在便于攜帶、實時測量、功耗和抗干擾能力等方面的有較高的要求。在數字信號處理器( digitalsignal processor，DSP) 出現之前，小型氣象站主要是以MCS—51 單片機為核心的數據采集和處理系統，面對大量的氣象數據，單片機數據快速處理能力的不足暴露了出來，而DSP 因為其自身的硬件結構使得它能夠快速進行數據處理，彌補了單片機的不足。基于DSP 的小型氣象站是結合了DSP 的工作原理、大氣參數的測量方法和小型氣象站的自身特點而提出的一種新設計，能夠進行大氣參數的實時測量，并具有了功耗低、便攜性好和抗干擾能力強的特點。
1 氣象站工作原理和硬件框圖
進行大氣參數測量的氣象站主要由傳感器、信號調理電路、DSP 系統和電源模塊4 部分組成，如圖1 所示。
由于所測的大氣參數都是非電量，而測量結果是建立在對電信號進行處理得到，所以，在氣象站中針對每一個大氣參數都采用了相應的傳感器進行非電量到電量的轉換。
傳感器的輸出因為其工作原理不同而不同，本文根據實際選擇的傳感器設計了不同的信號調理電路，對傳感器的輸出有針對性的進行濾波，I /V 變換，脈沖穩幅和電壓放大等不同形式的調理，使得傳感器的輸出經信號調理電路之后滿足DSP芯片上A / D轉換器的輸入模擬電壓的范圍或者I /O 端口的電平要求。
DSP 系統由DSP 芯片，DSP 外圍復位電路、振蕩電路、復位電路和串行通信口組成。DSP 系統主要進行模擬量輸入通道選擇，A/D 轉換，信號處理，對氣象站其他組成部分的控制以及和上位機進行串行通信。
電源模塊為DSP 系統和氣象站其他組成部分提供穩定的直流電壓。
2 傳感器與信號調理電路
2． 1 風速傳感器與信號調理電路
風速反映了大氣的流動程度，具有很大的隨機性。小型氣象站常用于測量近地面風速，測量范圍為1～ 60 m/s，分辨率為0． 5 m/s，精度為± 5 %。根據風速測量的特點和要求，本文選用了紅外光電開關式風速傳感器和脈沖幅值穩定調理電路來實現把風速轉換成單位時間脈沖輸出個數的任務，原理圖如圖2 所示。
在距離風輪中心為r 的位置刻有一個遮光塊，在風帶動風輪以中心軸線為中心旋轉時，風輪每旋轉一周，遮光塊經過紅外光源和紅外探測器所在的水平線上一次。當遮光塊經過紅外光源和紅外探測器所在的水平線時，紅外光源發出的光被遮光塊阻擋，不能照射在紅外探測器上，紅外探測器輸出一個脈沖電流，風速v 與單位時間內電流脈沖個數N 呈正比關系。
信號調理電路把紅外探測器輸出的微弱電流進行放大后進行I /V 變換，然后，再對電壓脈沖的幅值進行穩幅處理后送入DSP 系統，進行數據處理。
2． 2 風向傳感器與信號調理電路
在風向測量中，采用了精密電位器式傳感器把風向變化轉換成電阻變化，電阻與風向滿足正比例關系，然后，經過直流四臂電橋轉換電路再把電阻變化轉換成電壓變化，由于電壓比較小，所以，還需要利用放大電路放大到A/D轉換器所能分辨的電壓范圍，然后，經多路選擇器后進入A/D 轉換器實現模數轉換，轉換后的結果進入DSP 系統。
風向測量原理框圖如圖3 所示。
本設計選用了Met one 公司的020C 型電位器式風向傳感器，該傳感器的測量范圍為0°～ 360°，精度為± 2°，分辨率為± 0． 2°。020C 型電位器式風向傳感器有一個自重很輕的機翼形風向標，它直接和一個精密電位器相連，對應于0°～ 360°的風向，輸出電壓為0～ 5 V，經電壓調理電路之后，可直接進入DSP 系統進行A/D 轉換。
2． 3 溫濕度傳感器與信號調理電路
本設計選用了瑞士Rotronic 公司型號為HygroClip s 3的空氣溫濕度傳感器。該溫濕度傳感器內部集成了鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器。溫度測量范圍為－ 40～60℃，精度為± 0． 3 ℃; 相對濕度測量范圍為0 %～100 %RH，精度為± 1． 5 % RH，溫濕度傳感器采用+ 5 V 直流電源供電，在溫濕度測量范圍內可以輸出0～ 1 V 的模擬電壓。溫濕度測量原理框圖如圖4 所示。
2． 4 大氣壓力傳感器與信號調理電路
在小型氣象站中，大氣壓力的測量范圍為800 ～1 080 hPa，分辨率為0． 1 hPa，精度為± 1． 0 hPa。本設計選用了電容式大氣壓力傳感器CS106 實現把大氣壓力轉換成電壓輸出。CS106 傳感器是Vaisala 公司的硅電容大氣壓力傳感器。大氣壓力測量原理框圖如圖5 所示。
3 DSP 系統
DSP 系統主要由DSP 芯片，按鍵電路、復位電路、晶振電路和串行通信電路組成。
3． 1 DSP 芯片選型
在氣象站中，DSP 的主要作用是數據采集、通道選擇和模數轉換、數據分析、結果顯示及系統控制。本文根據應用要求和DSP 芯片特點選用了美國TI 公司的型號為TMS320LF2402A 的DSP 芯片，該DSP 芯片采用了CMOS 工藝，供電電壓僅為3． 3 V，減小了系統功耗; 片內有32 k 字的FLASHROM，1 ． 5 k 字的RAM; 看門狗定時器; 8 通道的10位A/D 轉換器，轉換時間為375 ns; 2 個16 位通用定時器和串行通信接口等片上外圍電路。
3． 2 電源電路、復位電路和時鐘電路
DSP 系統電源電路、復位電路和時鐘電路原理圖如圖6所示。
TMS320LF2402A 工作時的內核電壓和I /O 緩沖器電壓都為3． 3 V，本設計采用了TI 公司的TPS7333 電路轉換芯片，把由電源模塊提供的5 V 電壓轉換成3． 3 V。另外，結合TPS7333 具有的上電復位功能，設計了DSP 芯片的復位電路。設計了外部時鐘電路，采用頻率為20 MHz 的有源石英晶體振蕩器，結合內部鎖相環進行二倍頻之后為DSP芯片提供40 MHz 的時鐘信號。
3． 3 串行通信接口電路
TMS320LF2402A 片內有SCI 串行口，可以方便地與計算機上的RS—232 串行口連接進行通信，把測量結果顯示在上位機上。由于PC 機的RS—232C 電平與DSP 的TTL 電平不一致，就必須在兩者之間進行電平和邏輯關系的變換。
本設計采用MAXIM 公司的MAX232 實現兩者間的轉換，電路原理圖如圖7 所示。
4 實驗結果
通過硬件設計和軟件設計，制成了小型氣象站樣機，實驗之后的結果如表1 所示。
根據實驗結果可以發現，該小型氣象站基本滿足野外大氣實驗大氣參數測量的要求。
5 結論
本設計根據大氣參數的測量要求和測量方法，結合DSP 的工作原理，設計了一個小型氣象站的硬件系統，實驗結果表明: 該系統滿足大氣測量的基本要求，可以作為一個小型氣象站使用。
產品咨詢：北京鴻鷗儀器(bjhocy)小型氣象站、高精度小型氣象站
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