多功能低功耗海洋數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

摘要：為了克服國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集器通用性不強(qiáng)，論文以C8051F120為控制核心設(shè)計(jì)了通用多功能低功耗海洋數(shù)據(jù)采集器。多功能低功耗海洋數(shù)據(jù)采集器采用B1203LS非線性變壓模塊，降低了系統(tǒng)的功耗；采用了OCM12864-8液晶顯示設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的菜單化管理；采用大容量存儲(chǔ)器AT45DB041，可以存儲(chǔ)大量歷史數(shù)據(jù)；并提供了RS232接口可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程有線或者無(wú)線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)有體積小、功耗低、太陽(yáng)能供電的特點(diǎn)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：采集器；低功耗；C8051F120；海洋氣象

國(guó)產(chǎn)海濱觀測(cè)站所采用的數(shù)據(jù)采集器大多與相應(yīng)的海濱觀測(cè)站配套使用，當(dāng)需要擴(kuò)充海濱觀測(cè)站觀測(cè)功能，增加新的觀測(cè)要素傳感器時(shí)，不能直接進(jìn)行升級(jí)，必須更換，從而造成重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)。根據(jù)這一情況，改進(jìn)和完善數(shù)據(jù)采集器，對(duì)于提高海濱觀測(cè)站的擴(kuò)展性和通用性具有重要意義，同時(shí)這也是國(guó)際上海濱觀測(cè)站在擴(kuò)展觀測(cè)要素、提高系統(tǒng)開(kāi)放性方面的趨勢(shì)之一。
在硬件上實(shí)現(xiàn)通用，只需要修改配置文件，就可以實(shí)現(xiàn)氣象和水文采集器的互換使用。這樣可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)維護(hù)工作，提高觀測(cè)效率。同時(shí)論文基于一種低功耗單片機(jī)的海洋數(shù)據(jù)采集器，采用RS232接口實(shí)時(shí)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)，配有大容量存儲(chǔ)器，支持無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及日歷時(shí)鐘，可以長(zhǎng)期獨(dú)立工作在無(wú)人值守的野外觀測(cè)記錄。論文還在開(kāi)發(fā)時(shí)候考慮到海洋環(huán)境和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，做到了防腐蝕、低功耗、低成
本、太陽(yáng)能供電。

1 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)要分別對(duì)氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集。根據(jù)對(duì)各種要素的觀測(cè)要求選擇合適的傳感器，目前市面上的主流傳感器接口輸出信號(hào)有4～20 mA電流模擬信號(hào)、電壓模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)、串口信號(hào)等。本設(shè)計(jì)根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)和選用的傳感器接口類(lèi)型，設(shè)計(jì)了3類(lèi)信號(hào)接收端：脈沖信號(hào)，RS232串口信號(hào)，模擬信號(hào)。傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路傳輸至外擴(kuò)A／D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、添加時(shí)間標(biāo)簽等數(shù)據(jù)處理后，作為控制核心將數(shù)據(jù)存入FLASH存儲(chǔ)器，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)指令，準(zhǔn)備將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送GPS模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信并完成鍵盤(pán)設(shè)置和液晶顯示控制。采集器長(zhǎng)期工作在無(wú)人看守狀態(tài)下，因此設(shè)計(jì)了程序故障后自動(dòng)硬件復(fù)位模塊。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

MCU模塊作為整個(gè)采集器的控制核心，主要完成信號(hào)的多路采集、軟件濾波、數(shù)據(jù)運(yùn)算、上位機(jī)指令監(jiān)聽(tīng)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示和鍵盤(pán)等控制功能。
信號(hào)輸入模塊主要功能是：將分別對(duì)氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素進(jìn)行采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后進(jìn)MCU。
串行通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的相互通信，上位機(jī)可以通過(guò)發(fā)送指令選擇下位機(jī)工作在氣象或水文模式。上位機(jī)還可以通過(guò)指令修改下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)間。
為了安裝和調(diào)試方便，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了液晶和鍵盤(pán)模塊。該模塊用來(lái)完成采集器工作模式的選擇；系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定；水文或氣象參數(shù)的最大值和最小值的設(shè)定。
其他外設(shè)包括：看門(mén)狗模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。硬件看門(mén)狗模塊能夠使程序故障后自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，因此使用擴(kuò)展外部FLASH存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)傳輸格式要求，用時(shí)間來(lái)標(biāo)記不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)，因此采集器應(yīng)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。
采集器有可能工作在沒(méi)有交流電源的工作場(chǎng)合，本設(shè)計(jì)用12 V太陽(yáng)能電池供電。