海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器的研制

摘要：針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需要，以高性能單片執(zhí)C8051F120為核心研制了一種海洋水文氣象綜合數(shù)據(jù)采集器。采集器采用成熟的工業(yè)級(jí)集成電路芯片和元器件、配備X5043看門(mén)狗芯片，保證了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；采用交流電和太陽(yáng)能電池雙供電模式，應(yīng)用B1203LS有效降低了系統(tǒng)功耗；配備有線／無(wú)線通訊接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)管理簡(jiǎn)單，具有較大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：海洋水文氣象；數(shù)據(jù)采集器；C8051F120；軟件設(shè)計(jì)

海洋數(shù)據(jù)采集器的基本任務(wù)是獲取氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分和關(guān)鍵設(shè)備。此前一般按照其采集要素的類(lèi)型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類(lèi)，并分類(lèi)進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用；該方式人為將其分得過(guò)細(xì)，存在研發(fā)效率低、研制成本高、后期維護(hù)和管理繁瑣等諸多弊端，為此筆者以高性能單片機(jī)C8051F120為校心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類(lèi)要素信息檢測(cè)的綜合型海洋信息數(shù)據(jù)采集器，其提供有線和無(wú)線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺(tái)、船舶等多類(lèi)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。

1 總體設(shè)計(jì)
采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器或檢測(cè)儀表負(fù)責(zé)各種海洋信息的檢測(cè)，將參數(shù)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，是采集器的信號(hào)輸入前端；雖然各種海洋參數(shù)檢測(cè)傳感器的工作原理各不相同、結(jié)構(gòu)也多種多樣，但其輸出信號(hào)無(wú)非是數(shù)字信號(hào)(RS232)、模擬信號(hào)或脈沖信號(hào)。采集器的信號(hào)接口及通訊接口設(shè)置需要與傳感器的信號(hào)輸出形式相匹配才能完成數(shù)據(jù)采集功能，是實(shí)現(xiàn)采集器通用性的關(guān)鍵因素之一，為此綜合數(shù)據(jù)采集器設(shè)置了3類(lèi)信號(hào)接收接口：RS232串口、模擬信號(hào)接口和脈沖信號(hào)接口。

采集器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。MCU模塊(單片機(jī))作為整個(gè)采集器的控制核心，負(fù)責(zé)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)操作等控制功能。信號(hào)輸入模塊負(fù)責(zé)采集和調(diào)理各類(lèi)水文氣象要素信息信號(hào)，然后將其送往MCU。單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行集中采集和處理后為每個(gè)數(shù)據(jù)都加上時(shí)間標(biāo)簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲(chǔ)器；單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)指令，并通過(guò)有線或無(wú)線通信接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
通信接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下采象器的相互通信，上位機(jī)可以通過(guò)發(fā)送指令選擇采集器工作在水文采集還是氣象采集模式之下，上位機(jī)也可以通過(guò)指令修改采集器的系統(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，用來(lái)快捷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)的最大值和最小值設(shè)定等功能。
其他外設(shè)包括硬件看門(mén)狗模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和供電電源模塊四個(gè)部分。由于采集器需要長(zhǎng)期工作在無(wú)人看守的場(chǎng)合，為此需要設(shè)計(jì)硬件看門(mén)狗模塊，當(dāng)單片機(jī)死機(jī)或程序跑飛時(shí)自動(dòng)重啟采集器的軟硬件系統(tǒng)。采集器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，因此設(shè)置了外部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)，因此設(shè)置了實(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，為此設(shè)置了交流電源供電和12V太陽(yáng)能電池供電的雙供電電路。