海氣通量自動測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

摘要: 本文介紹了以C8051F020為控制核心的船載海氣通量自動測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，對ST16C554的一些編程細(xì)節(jié)也做了詳盡的敘述。

關(guān)鍵詞： 海氣通量測量；  C8051F020；  串口擴(kuò)充；  ST16C554

在相互制約和作用的大氣海洋系統(tǒng)中，大氣對海洋的作用主要是動力的，稱為動量通量；海洋對大氣的作用主要是熱力的，稱熱通量。動量通量和熱通量通稱為海氣通量，它是氣候形成和變化的重要機(jī)制之一。

國家十五“863”計(jì)劃項(xiàng)目——“船載海氣通量自動測量系統(tǒng)”，要求使用直接協(xié)方差法來分三個層次測量海氣界面的動量通量，該方法是利用快速響應(yīng)風(fēng)傳感器測量風(fēng)速值的脈動，由獲取的脈動資料的時間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)平均，獲得海氣界面動量通量。

測量原理及傳感器組成

理論上，直接協(xié)方差法測量海氣動量通量只需要快響應(yīng)三維超聲風(fēng)傳感器來測量出風(fēng)速度矢量，并以此來計(jì)算風(fēng)應(yīng)力矢量。海氣動量通量τ定義為[1]：

由于是船載系統(tǒng)，要得到真實(shí)的三維風(fēng)速值必須剔除船體運(yùn)動的影響。這些影響來源于以下三個方面：(1)船體的前后顛簸、左右搖擺和航向引起的風(fēng)傳感器即時傾斜；(2)船體的搖擺而帶動風(fēng)傳感器相對于船體參考系角速度的變化；(3)船體相對于地面的移動速度。使用緊耦合系統(tǒng)消除上述因素引起的誤差，真實(shí)的海面風(fēng)速Vtrue可以表示為[1]：

其中Vobs為三維風(fēng)速計(jì)相對于船體測得的風(fēng)速矢量，T為由測量坐標(biāo)系到真實(shí)風(fēng)速坐標(biāo)系的變換矩陣；Ω為船體相對于自己重心旋轉(zhuǎn)、俯仰和搖擺的三維轉(zhuǎn)動角速度矢量；Vmot是風(fēng)速計(jì)重心相對于海面的移動速度矢量，R是三維風(fēng)速計(jì)相對于船體的位置矢量。

因此，系統(tǒng)所需的傳感器除了測量三維風(fēng)速值的三個超聲風(fēng)傳感器外，還需要測量船體運(yùn)動姿態(tài)的姿態(tài)傳感器、測量船體運(yùn)動方向的電子羅盤、測量船體位置和運(yùn)動速度的GPS。其中，姿態(tài)傳感器與羅盤構(gòu)成運(yùn)動測量單元，每秒采集一次船體運(yùn)動姿態(tài)，包括三維線加速度、三維角速度、橫滾角、俯仰角和航向。以上各傳感器的數(shù)據(jù)輸出形式均為RS-232。

海氣通量數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分是船載海氣通量測量系統(tǒng)的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和過程控制。該部分結(jié)合總體設(shè)計(jì)要求，根據(jù)當(dāng)前嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以模塊化、高可靠的設(shè)計(jì)思想來研制。

方案選擇

數(shù)據(jù)采集部分所要完成的主要功能是：單片機(jī)按固定時序和頻率采集各傳感器的輸出數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算和處理后，按照預(yù)定通信協(xié)議以RS-232方式實(shí)時地將數(shù)據(jù)以4～20Hz的頻率通過單片機(jī)的串行口傳送給PC機(jī)，上位PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和動量通量的計(jì)算。

由于海氣通量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要與三個超聲風(fēng)傳感器、電子羅盤、姿態(tài)傳感器、GPS和PC機(jī)進(jìn)行異步串行通信，而一般的單片機(jī)至多只有2個串口，因此至少需要擴(kuò)充5個串口。擴(kuò)充串口的方法很多，如采用軟件模擬法成本低、易于實(shí)現(xiàn)，但其采樣頻率低，軟件開銷大、難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性、正確性，而且一般不能模擬過高的波特率。利用串行口擴(kuò)展串行口，控制簡單，但在多通道模式下，所有子串口工作波特率只能設(shè)置成統(tǒng)一值，不適用于各從機(jī)波特率不一致、又要求同時工作的系統(tǒng)。并行口擴(kuò)展串口方法的功能強(qiáng)大，能提供MODEM控制信號、通訊速度高，實(shí)時性好，可以滿足多個串口同時工作的要求。在本系統(tǒng)中，GPS和電子羅盤的輸出速率是1Hz，三維超聲風(fēng)速計(jì)和姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)20Hz，具有數(shù)據(jù)通訊量大、輸出速率高、數(shù)據(jù)輸出格式多、數(shù)據(jù)爆發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此優(yōu)選并行口擴(kuò)展的方法。

模塊開關(guān)電源輸出5V和12V兩種電壓，12V電壓給測量傳感器供電，5V電源使用電源管理芯片變換成3.3V電源，給GPS模塊、單片機(jī)、外部存儲器和串口芯片供電。

系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1  海氣通量測量系統(tǒng)框圖

主控單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控部分采取了如下的設(shè)計(jì)方案：單片機(jī)采用了Silicon Laboratories公司的高性能微控制器C8051F020作為數(shù)據(jù)采集和控制的核心。它具有與8051完全兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用高速流水線結(jié)構(gòu)(25 MIPS)，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為1~2 時鐘周期；具有64 KB可在系統(tǒng)編程FLASH 和大容量內(nèi)部SRAM，具有外部存儲器接口；最多可達(dá)22個中斷源，這對實(shí)時多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是很重要的。

雖然C8051F020內(nèi)部有4KB的SRAM，但是對于整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量來說還是不夠的，因此使用高位端口P5~P7外擴(kuò)32KB的外部存儲器，采用地址/數(shù)據(jù)線非復(fù)用方式。它占用的I/O空間地址范圍是0x0000~0x7FFF。注意與其他8051不同的是C8051F020內(nèi)部有兩個SFR(EMI0CF和EMI0TC)控制SRAM的讀寫時序，在對SRAM進(jìn)行操作之前，應(yīng)根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊配置好這兩個寄存器，否則可能會出現(xiàn)讀寫不正常的現(xiàn)象。

C8051F020的UART0用于PC機(jī)通訊，UART1用于GPS通訊。

串行口擴(kuò)展設(shè)計(jì)

如上所述，系統(tǒng)共需要與6個串行設(shè)備通信。而C8051F020只具有兩個串行UART，無法滿足系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)共采用了兩片ST16C554擴(kuò)充8個串行口，其中5個串行口分別連接三個三維超聲風(fēng)傳感器、電子羅盤和姿態(tài)傳感器，剩余3個串行口備用。

ST16C554是EXAR公司生產(chǎn)的帶有FIFO的通用四串口(UART)器件，具有集成度高、使用方便、兼容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它主要具有兩項(xiàng)功能，一是把從外部設(shè)備接收進(jìn)來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)；二是把CPU的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)以利于發(fā)送。一片ST16C554可以提供4個標(biāo)準(zhǔn)UART端口。

ST16C554的功能特點(diǎn)如下：

*各帶有16個字節(jié)的發(fā)送/接收FIFO增強(qiáng)型UART?？梢源蟠鬁p少對CPU的中斷次數(shù)，減少對UART的中斷服務(wù)時間。
*可以在24MHz的晶體或外部時鐘輸入下使用1.5Mbps發(fā)送和接收速率。在14.7464MHz晶體下，用戶最高可選擇921.6Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。
*每個通道具有獨(dú)立的發(fā)送、接收、線路狀態(tài)和設(shè)置中斷功能。
*用戶可編程的波特率發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器接口。
*四種可選擇的FIFO接收中斷觸發(fā)。

ST16C554與C8051F020的接口如圖2所示。D0~D7連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線，A0~A1用來選擇ST16C554的內(nèi)部寄存器地址，RD、WR分別接單片機(jī)的讀寫信號，總線模式引腳接VCC選擇Intel方式。C8051F020的A12~A14經(jīng)74HC138譯碼后，輸出CS0~CS7所代表的地址范圍分別是：8000~8FFFH，9000~9FFFH，A000~AFFFH，B000~BFFFH，C000~CFFFH，D000~DFFFH，E000~EFFFH，F(xiàn)000~FFFFH。IT0~IT7是U5、U6各路UART的中斷輸出?？梢园l(fā)生中斷的條件有：接收錯誤、緩沖區(qū)數(shù)據(jù)有效、發(fā)送緩沖區(qū)空等。

圖2 ST16C554與C8051F020的接口

ST16C554中斷引腳輸出IT0~IT7分別接單片機(jī)的P1.0~P1.7，且連接到CD4002的兩個四輸入或非門(U15A和U15B)的輸入端，CD4002的兩個輸出分別連接至C8051F020的兩個外部中斷輸入端INT0和INT1，這樣CPU就可在相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中查詢P1.0~P1.7的狀態(tài)，以確定是哪個UART是中斷源。該部分設(shè)計(jì)利用兩個四輸入或非門連接至單片機(jī)的外部中斷，解決了單片機(jī)中斷資源有限的問題，降低了系統(tǒng)成本。ST16C554工作在FIFO模式，采用中斷方式收發(fā)數(shù)據(jù)并設(shè)置8字節(jié)的硬件收發(fā)送緩沖區(qū)，降低了CPU的開銷。

在本部分的設(shè)計(jì)中，還需要有電平轉(zhuǎn)換電路。這是由于C8051F020和經(jīng)ST16C554擴(kuò)充的UART均是TTL電平，而各傳感器的通訊方式是均是RS-232。因此，必須進(jìn)行它們之間的電平轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的方法使用MC1488與MC1489進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用這兩種芯片時，除了系統(tǒng)的+5V電源外，還需要+12V和-12V電源，很不方便而且功耗比較大。為此這里選用5片MAX3232來完成這項(xiàng)工作，連線方式使用簡單三線方式即TXD、RXD、GND。MAX3232是單電源低功耗的電荷泵式RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，在電源電壓3.0~5.0V之間均能正常工作，它的工作電流僅為300mA。

值得一提的是，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了比較完善的串口保護(hù)電路。具體實(shí)現(xiàn)方法是在MAX3232的RS-232一側(cè)加保護(hù)芯片MAX367。MAX367是MAXIM公司的ESD保護(hù)芯片，它有兩個限制電壓輸入端V+和V-，當(dāng)信號的電平超過V+或者低于V-時，可自動切斷該路的連接，待故障解除后，又可自動恢復(fù)連接。V+和V-分別是+15V和-15V。在傳感器信號的RS-232信號端還串接了50mA自恢復(fù)保險和雙向TVS管，有效地抑制了瞬變電壓和電流給系統(tǒng)造成的破壞。

ST16C554編程要點(diǎn)

ST16C554的控制比較復(fù)雜，使用前應(yīng)充分了解各個寄存器的功能和設(shè)置要點(diǎn)。事實(shí)上控制它并不難，關(guān)鍵是準(zhǔn)確把握各控制寄存器的含義，熟悉其控制流程。

ST16C554具有4個完全相同的端口，各組控制寄存器均是相互獨(dú)立的。系統(tǒng)上電后需先對ST 16C554 進(jìn)行初始化，包括設(shè)置波特率、傳輸數(shù)據(jù)的幀格式、中斷允許位、對FIFO的控制等。對MCU來說，ST16C554相當(dāng)于MCU的外部數(shù)據(jù)存儲器。它的寄存器中有一個測試寄存器(Scratchpad Register)，在初始化之前，可以先讀寫這個測試寄存器，如果結(jié)果一致，證明單片機(jī)與ST16C554接口電路無誤。若不一致，則應(yīng)檢查硬件接口電路或者芯片本身是否損壞。初始化代碼如下：
XBYTE[BASE_ADDR+LCR] = 0x80;       //向
 LCR寄存器寫0x80，使能波特率設(shè)置XBYTE[BASE_ADDR +DIVLSB] =BAUD_L  ;
 //寫波特率低字節(jié)
XBYTE[BASE_ADDR +DIVMSB] = BAUD_H;
 //寫波特率高字    XBYTE[BASE_ADDR +LCR] = 0x00;       //禁止波特率設(shè)置
XBYTE[BASE_ADDR +LCR] = lcr_byte;   
 //設(shè)置數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗(yàn)位
XBYTE[BASE_ADDR +FCR]=0x87;      
 //使用并清除8字節(jié)FIFO，
XBYTE[BASE_ADDR +IER]=0x03;      
 //使能發(fā)送和接收中斷

編程時最好啟用FIFO功能，以減輕CPU中斷系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。FIFO的接收中斷字節(jié)最好設(shè)置在8 字節(jié)左右，不要設(shè)置成16字節(jié)。否則如果CPU在FIFO滿的情況下產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)來不及響應(yīng)，會產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)溢出的危險。

ST16C554發(fā)生中斷時，CPU轉(zhuǎn)向外部中斷0(或1)服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，CPU應(yīng)逐個輪詢P1.0~P1.3(或者P1.4~P1.7)的狀態(tài)，如果有任何一個引腳是高電平，則進(jìn)入相應(yīng)端口的中斷處理程序，處理完畢后，應(yīng)繼續(xù)查詢有無其它端口發(fā)生中斷，以防止端口中斷的遺漏。以外部中斷0服務(wù)程序?yàn)槔?，示例代碼如下：
IntSource =P1&0x0f;  //讀取中斷源
while(IntSource!=0)  //ST16C554(U5)有中
   斷發(fā)生
{
     if(P1^0) //串口A有中斷產(chǎn)生
  　 IntUart1() ;   //判斷串口A中斷源子
   程序
     if(P1^1)         //串口B有中斷產(chǎn)生
        IntUart2();  //判斷串口B中斷源子
   程序
        if(P1^2)        /串口C有中斷產(chǎn)生
             IntUart3(); //判斷串口C中斷源
   子程序
           if(P1^3)       //串口D有中斷產(chǎn)生
            IntUart4();   //判斷串口D中斷源
   子程序
          IntSource = P1&0x0f; //繼續(xù)讀取中
        斷源，直至無串口中斷產(chǎn)生
    }

結(jié)語

“船載海氣通量自動測量系統(tǒng)”試制成功后，經(jīng)過在西北太平洋近兩個月的海上實(shí)驗(yàn)，取得了大量寶貴海氣通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)踐證明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可靠，穩(wěn)定的，該項(xiàng)目已經(jīng)于2005年11月通過863專家組的驗(yàn)收。

參考文獻(xiàn)：
1.J.B.EDSON,etc. Direct Covariance Flux Estimates from Mobile Platforms at Sea. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.Vol 15,1998.
2. Silicon Laboratories.C8051F020/1 Datasheets. 2001.
3. EXAR Corporation. ST16C554 Datasheets REV.3.10. 1994