海洋水文氣象綜合數據采集器的研制

董超群，董 芳，孫偉峰，李立剛

（1.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266555；2.青島濱海學院 機電工程學院，山東 青島 266555）

海洋數據采集器的基本任務是獲取氣溫、氣壓、潮位、水溫、波浪、海流等海洋要素信息，是海洋環境監測系統的重要組成部分和關鍵設備。此前一般按照其采集要素的類型劃分為水文采集器和氣象采集器兩大類，并分類進行研發和應用；該方式人為將其分得過細，存在研發效率低、研制成本高、后期維護和管理繁瑣等諸多弊端[1-2]，為此筆者以高性能單片機C8051F120為核心器件研制了一種適用于水文和氣象兩類要素信息檢測的綜合型海洋信息數據采集器，其提供有線和無線兩種通訊接口，適用于海岸、島嶼、平臺、船舶等多類站點的監測。

1 總體設計

采集器用于完成海洋氣壓、氣溫、濕度、降水、風速、風向等氣象要素和潮汐、水溫、鹽度等水文要素信息的采集。現場傳感器或檢測儀表負責各種海洋信息的檢測，將參數物理量轉換成電信號輸出，是采集器的信號輸入前端；雖然各種海洋參數檢測傳感器的工作原理各不相同、結構也多種多樣，但其輸出信號無非是數字信號（RS232）、模擬信號或脈沖信號。采集器的信號接口及通訊接口設置需要與傳感器的信號輸出形式相匹配才能完成數據采集功能，是實現采集器通用性的關鍵因素之一，為此綜合數據采集器設置了3類信號接收接口：RS232串口、模擬信號接口和脈沖信號接口。

采集器的總體結構如圖1所示。MCU模塊（單片機）作為整個采集器的控制核心，負責完成信號的多路采集、軟件濾波、數據運算、上位機指令監聽、數據傳輸、數據存儲、液晶顯示和鍵盤操作等控制功能。信號輸入模塊負責采集和調理各類水文氣象要素信息信號，然后將其送往MCU。單片機對輸入信號進行集中采集和處理后為每個數據都加上時間標簽，然后將其以記錄的形式存入FLASH存儲器；單片機實時監聽上位機指令，并通過有線或無線通信接口向上位機傳輸數據。

通信接口實現上位機與下采集器的相互通信，上位機可以通過發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，上位機也可以通過指令修改采集器的系統時間。

為了安裝和調試方便，系統設計了液晶和鍵盤模塊，用來快捷完成采集器工作模式的選擇、系統時鐘的設定、水文或氣象參數的最大值和最小值設定等功能。

其他外設包括硬件看門狗模塊、FLASH存儲模塊、實時時鐘模塊和供電電源模塊四個部分。由于采集器需要長期工作在無人看守的場合，為此需要設計硬件看門狗模塊，當單片機死機或程序跑飛時自動重啟采集器的軟硬件系統。采集器的數據存儲量較大，因此設置了外部FLASH存儲模塊。數據傳輸格式要求用時間來標記不同時刻的數據，因此設置了實時時鐘模塊。采集器有可能工作在沒有交流電源的工作場合，為此設置了交流電源供電和12 V太陽能電池供電的雙供電電路。

圖1 采集器總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of the data collector

2 硬件電路設計與實現

2.1 信號輸入接口設計

RS232信號（如激光測距傳感器或溫鹽傳感器的輸出信號）經過MAX232進行電平轉化后，進入外擴串口芯片ST16C554D，然后進入MCU。模擬信號（如氣壓傳感器、濕溫傳感器或風向傳感器的輸出信號）經16位A/D轉換芯片MAX1168轉換之后進入MCU。為防止高強度干擾損壞單片機，在信號進入單片機之前經過壓保護電路和光電隔離電路進行電平轉換和隔離。

2.2 單片機選型

單片機核心控制模塊由C8051F120單片機最小系統和鍵盤/液晶顯示電路構成。C8051F系列單片機是Silicone Laboratories公司生產的低功耗混合信號片上系統型MCU，其精簡了指令集，大多數指令可以在一個時鐘周期內完成[3-4]。C8051F120單片機具有100MIPS的處理峰值、128 kB的FLASH存儲器、8448B的RAM、可外接存儲器、具有12位A/D（轉換峰值可達100 ksps）、64個I/O端口。為了方便野外安裝和設備調試，設計了鍵盤和液晶顯示模塊。采集器選用OCM12864-8型液晶顯示模塊，其與單片機連接只需5根數據線，其內置字庫，可以輕松顯示中/英文文字、數字和簡單的圖片信息。

2.3 外擴存儲芯片選型

數據存儲時，每分鐘數據以一條記錄的形式存入文件。測量數據以ASCII字符存儲，各要素數據按照讀取配置文件時得到的要素順序排列，并在記錄前面加上采集時間。

系統選用ATMEL公司生產的新型FLASH芯片AT45DB041D作為C8051F120的外部擴展存儲芯片，其采用8腳的SOIC封裝，具有容量大、讀寫速度快、外圍電路少等諸多優點，更為重要的是該芯片可最低工作在2.5 V，工作電流僅為4 mA，功耗較小。AT45DB041D與C8051F120連接如圖2所示。

圖2 MCU與存儲芯片連接圖Fig.2 Connection diagram of MCU and AT45DB041D

2.4 時鐘芯片選型及看門狗電路設計

系統選用DS1305實時時鐘芯片，其通過SPI總線與C8051F120相連。采集器設置了看門狗電路，選用INTERSIL公司生產的X5043型看門狗芯片，其具有上電復位、高電壓復位功能，內置可編程看門狗定時器、4Kbit3-WIRE接口非易失性EEPROM。在采集器的工作過程中，如果MCU或外設失效，導致系統“死鎖”或者“跑飛”，看門狗定時器自動激活X5043的RESET引腳，停止MCU的工作，200 ms后重新啟動單片機進行工作。外部擴展存儲芯片、時鐘芯片、看門狗芯片均以SPI總線形式與單片機進行通信，節省了單片機的管腳資源。

2.5 供電電路設計

采集器采用雙供電模式，即交流電源供電和太陽能電池供電。交流電源通過工業級AC/DC模塊LH10-10B09轉化為直流輸入，經各種穩壓芯片轉換為各個模塊所需的供電電壓。12 V太陽能電池在交流電源掉電時為系統供電。系統采用B1203LS非線性變壓模塊，轉化效率高達80%、功耗低。經測試B1203LS為采集器提供12 V工作電壓時，電流僅為80 mA，功率僅為0.96 W。

3 采集器軟件設計與開發

采集器軟件采用自頂向下和模塊化方法進行設計。核心器件C8051F120單片機以中斷工作方式為主、以查詢工作方式為輔，用中斷方式進行數據采集和響應上位機命令、用查詢方式對數據信息進行存儲。系統上電后首先初始化各個模塊，然后啟動硬件看門狗，接著等待定時器中斷進行數據采集并等待上位機命令，之后查詢一分鐘時間是否到，如果一分鐘時間到則處理并存儲采集到的數據。采集器軟件流程如圖3所示。

4 現場應用

海洋環境監測自動化系統一般由系統上位機和現場采集設備兩部分組成[5-6]，其結構如圖4所示。

現場采集設備安裝在各個監測站點，包括數據采集器、要素傳感器及其它附屬設備。數據采集器讀取傳感器輸出信號，經過處理得到測量值，完成單個站點的數據采集，是上位機系統的前端設備和數據來源，也是整個系統的核心部件。根據監測站點的類型（岸基監測臺站、近海觀測島嶼、綜合觀測平臺、移動監測船舶等）和監測現場的具體設施條件，采集器有選擇的通過有線或無線通訊方式接入專網與上位機進行通訊，上位機通過配套軟件程序讀取各測點采集器中的測量數據信息，完成對現場海洋環境參數的實時監測。現場數據比對表明，水文氣象綜合采集器的測量值誤差均小于0.1%，滿足海洋觀測現場對各觀測要素的測量精度要求。

圖3 采集器軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the data collector's software

圖4 海洋環境監測自動化系統結構圖Fig.4 Structure of a marine environment monitoring automation system

5 結束語

針對海洋環境監測工作的實際需要，以高性能單片機C8051F120為核心器件研制了一種接口功能強大、應用現場廣泛的海洋水文氣象綜合數據采集器。采集器配備大容量存儲芯片，支持有線/無線數據傳輸，配備液晶/鍵盤和日歷時鐘，可以通過太陽能電池供電，可以長期獨立工作在無人值守的觀測現場；采用成熟的工業級集成電路芯片和元器件，保證了系統可靠性，適用于惡劣的海洋環境監測現場；配備看門狗，在系統斷電、意外死機或程序跑飛等故障發生時自動重啟，保證軟件的穩定運行；通過修改配置文件，就可以實現水文和氣象采集器的互換使用；有線/無線通訊接口的設置擴大了采集器的兼容性、弱化了現場安裝條件，使其適用于海岸、島嶼、平臺、船舶等多類監測站點。目前已經有多套采集器在國家海洋局東海分局現場投入使用，現場應用表明，其安裝方便、使用靈活、運行穩定可靠、維護管理簡單，較好的完成了預期數據采集功能，具有較大的實用價值和應用前景。

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